Oglašavanje na portalu

Kako se enzimi formiraju u tijelu. Zdravo studente. Istorija razvoja nauke o enzimima

Enzimi su posebna vrsta proteina koju je priroda dodijelila ulozi katalizatora za različite kemijske procese.

Ovaj izraz se stalno čuje, međutim, ne razumiju svi što je enzim ili enzim, koje funkcije obavlja ova tvar, kao i po čemu se enzimi razlikuju od enzima i razlikuju li se uopće. Sve ćemo to sada saznati.

Bez ovih supstanci, ni ljudi ni životinje ne bi mogli probaviti hranu. I po prvi put za korištenje enzima u svakodnevnom životu, čovječanstvo je pribjeglo prije više od 5 hiljada godina, kada su naši preci naučili da pohranjuju mlijeko u "zdjelu" iz želuca životinja. U takvim uslovima, pod uticajem sirila, mleko je pretvoreno u sir. A ovo je samo jedan primjer rada enzima kao katalizatora koji ubrzava biološke procese. Danas su enzimi nezamjenjivi u industriji, važni su za proizvodnju šećera, margarina, jogurta, piva, kože, tekstila, alkohola, pa čak i betona. Ove korisne tvari također su prisutne u deterdžentima i prašcima za pranje - pomažu u uklanjanju mrlja na niskim temperaturama.

Istorija otkrića

Enzim u prijevodu s grčkog znači "kvasac". A čovječanstvo duguje otkriće ove supstance Holanđaninu Janu Baptistu Van Helmontu, koji je živio u 16. vijeku. Svojevremeno se jako zainteresovao za alkoholnu fermentaciju i tokom istraživanja pronašao nepoznatu supstancu koja ubrzava ovaj proces. Holanđanin ga je nazvao fermentum, što znači "fermentacija". Onda je, skoro tri veka kasnije, Francuz Louis Pasteur, takođe posmatrajući procese fermentacije, došao do zaključka da enzimi nisu ništa drugo do supstance žive ćelije. I nakon nekog vremena Nijemac Eduard Buchner izvukao je enzim iz kvasca i utvrdio da ova supstanca nije živi organizam. Dao mu je i ime - "zymaza". Nekoliko godina kasnije, drugi Nijemac, Willy Kuehne, predložio je podjelu svih proteinskih katalizatora u dvije grupe: enzime i enzime. Štaviše, drugi termin je predložio nazvati "kvasac", čije se djelovanje širi izvan živih organizama. I tek 1897. godine stavljena je tačka na sve naučne sporove: odlučeno je da se oba termina (enzim i enzim) koriste kao apsolutni sinonimi.

Struktura: lanac od hiljada aminokiselina

Svi enzimi su proteini, ali nisu svi proteini enzimi. Kao i drugi proteini, enzimi se sastoje od. I što je zanimljivo, svakom enzimu je potrebno od sto do milion aminokiselina nanizanih poput bisera na niti. Ali ova nit nikada nije ravna - obično je savijena stotine puta. Tako se stvara trodimenzionalna struktura jedinstvena za svaki enzim. U međuvremenu, molekul enzima je relativno velika formacija, a samo mali dio njegove strukture, takozvani aktivni centar, je uključen u biokemijske reakcije.

Svaka aminokiselina je vezana za drugu specifičnu vrstu hemijske veze, a svaki enzim ima svoju jedinstvenu sekvencu aminokiselina. Za stvaranje većine njih koristi se oko 20 vrsta amino supstanci. Čak i male promjene u sekvenci aminokiselina mogu drastično promijeniti izgled i "talente" enzima.

Biohemijska svojstva

Iako se u prirodi odvija ogroman broj reakcija uz učešće enzima, sve se mogu svrstati u 6 kategorija. Shodno tome, svaka od ovih šest reakcija odvija se pod uticajem određene vrste enzima.

Reakcije koje uključuju enzime:

  1. Oksidacija i redukcija.

Enzimi uključeni u ove reakcije nazivaju se oksidoreduktaze. Kao primjer, možemo se prisjetiti kako alkoholne dehidrogenaze pretvaraju primarne alkohole u aldehide.

  1. Reakcija grupnog transfera.

Enzimi preko kojih se te reakcije odvijaju nazivaju se transferaze. Imaju sposobnost premještanja funkcionalnih grupa s jedne molekule na drugu. To se događa, na primjer, kada alanin aminotransferaze pomjeraju alfa-amino grupe između alanina i aspartata. Takođe, transferaze pomeraju fosfatne grupe između ATP-a i drugih jedinjenja, i stvaraju disaharide iz ostataka glukoze.

  1. Hidroliza.

Hidrolaze koje učestvuju u reakciji mogu raskinuti jednostruke veze dodavanjem vodenih elemenata.

  1. Napravite ili uklonite dvostruku vezu.

Ova vrsta reakcije na nehidrolitički način odvija se uz učešće liaze.

  1. Izomerizacija funkcionalnih grupa.

U mnogim kemijskim reakcijama položaj funkcionalne grupe se mijenja unutar molekule, ali se sama molekula sastoji od istog broja i vrsta atoma koji su bili prije početka reakcije. Drugim riječima, supstrat i produkt reakcije su izomeri. Ova vrsta transformacije moguća je pod uticajem enzima izomeraze.

  1. Formiranje jednostruke veze sa eliminacijom elementa vode.

Hidrolaze razbijaju vezu dodavanjem elemenata vode u molekul. Liaze preokreću reakciju uklanjanjem vodenog dijela iz funkcionalnih grupa. Tako se stvara jednostavna veza.

Kako djeluju u tijelu

Enzimi ubrzavaju gotovo sve kemijske reakcije u stanicama. Oni su od vitalnog značaja za ljude, olakšavaju probavu i ubrzavaju metabolizam.

Neke od ovih supstanci pomažu u razgradnji prevelikih molekula u manje "komadiće" koje tijelo može probaviti. Drugi, naprotiv, vežu male molekule. Ali, naučno govoreći, enzimi su veoma selektivni. To znači da je svaka od ovih tvari sposobna ubrzati samo određenu reakciju. Molekuli s kojima enzimi "rade" nazivaju se supstrati. Supstrati, zauzvrat, stvaraju vezu s dijelom enzima koji se naziva aktivni centar.

Postoje dva principa koji objašnjavaju specifičnosti interakcije enzima i supstrata. U takozvanom modelu "ključ-zaključavanje", aktivni centar enzima zauzima mjesto striktno definirane konfiguracije u supstratu. Prema drugom modelu, oba učesnika u reakciji, aktivni centar i supstrat, menjaju svoje forme da bi se povezali.

Po kojem god principu se interakcija odvija, rezultat je uvijek isti - reakcija pod utjecajem enzima teče višestruko brže. Kao rezultat ove interakcije, "rađaju se" novi molekuli, koji se zatim odvajaju od enzima. A supstanca katalizatora nastavlja da radi svoj posao, ali uz učešće drugih čestica.

Hiper- i hipoaktivnost

Postoje slučajevi kada enzimi obavljaju svoje funkcije pogrešnim intenzitetom. Prekomjerna aktivnost uzrokuje prekomjerno stvaranje produkta reakcije i nedostatak supstrata. Rezultat je pogoršanje zdravlja i ozbiljne bolesti. Uzrok hiperaktivnosti enzima može biti ili genetski poremećaj ili višak vitamina ili se može koristiti u reakciji.

Hipoaktivnost enzima može čak uzrokovati i smrt, kada, na primjer, enzimi ne uklanjaju toksine iz tijela ili se javlja nedostatak ATP-a. Uzrok ovog stanja mogu biti i mutirani geni ili, obrnuto, hipovitaminoza i nedostatak drugih nutrijenata. Osim toga, niža tjelesna temperatura također usporava rad enzima.

Katalizator i još mnogo toga

Danas čujete mnogo o prednostima enzima. Ali koje su to supstance od kojih zavisi rad našeg tela?

Enzimi su biološki molekuli čiji životni ciklus nije određen okvirom rođenja i smrti. Oni samo rade u tijelu dok se ne rastvaraju. U pravilu se to događa pod utjecajem drugih enzima.

U toku biohemijske reakcije, oni ne postaju dio konačnog proizvoda. Kada se reakcija završi, enzim napušta supstrat. Nakon toga, supstanca je spremna da ponovo počne da radi, ali na drugom molekulu. I to traje onoliko dugo koliko je tijelu potrebno.

Jedinstvenost enzima je u tome što svaki od njih obavlja samo jednu funkciju koja mu je dodijeljena. Biološka reakcija nastaje tek kada enzim pronađe odgovarajući supstrat za nju. Ova interakcija se može usporediti s principom rada ključa i brave - samo ispravno odabrani elementi mogu "raditi". Još jedna karakteristika: mogu raditi na niskim temperaturama i umjerenom pH, a kao katalizatori su stabilniji od bilo koje druge kemikalije.

Enzimi kao katalizatori ubrzavaju metaboličke procese i druge reakcije.

Tipično, ovi procesi se sastoje od specifičnih faza, od kojih svaki zahtijeva određeni enzim za rad. Bez toga, ciklus transformacije ili ubrzanja se ne može završiti.

Možda je od svih funkcija enzima najpoznatija funkcija katalizatora. To znači da enzimi kombinuju hemijske reagense na takav način da smanjuju troškove energije potrebne za brže formiranje proizvoda. Bez ovih supstanci, hemijske reakcije bi se odvijale stotine puta sporije. Ali sposobnosti enzima nisu ograničene na ovo. Svi živi organizmi sadrže energiju koja im je potrebna za nastavak života. Adenozin trifosfat ili ATP je vrsta napunjene baterije koja opskrbljuje ćelije energijom. Ali funkcioniranje ATP-a je nemoguće bez enzima. A glavni enzim koji proizvodi ATP je sintaza. Za svaki molekul glukoze koji se pretvara u energiju, sintaza proizvodi oko 32-34 ATP molekula.

Osim toga, enzimi (lipaza, amilaza, proteaza) se aktivno koriste u medicini. Konkretno, služe kao komponenta enzimskih preparata kao što su "Festal", "Mezim", "Panzinorm", "Pancreatin", koji se koriste za liječenje probavnih smetnji. Ali neki enzimi mogu uticati i na krvožilni sistem (rastvarati krvne ugruške), ubrzati zarastanje gnojnih rana. Čak se i u terapiji protiv raka koriste enzimi.

Faktori koji određuju aktivnost enzima

Budući da je enzim sposoban višestruko ubrzati reakcije, njegova aktivnost je određena takozvanim brojem okretaja. Ovaj pojam označava broj molekula supstrata (reaktanata) koje 1 molekul enzima može transformirati u 1 minuti. Međutim, postoji niz faktora koji određuju brzinu reakcije:

  1. Koncentracija supstrata.

Povećanje koncentracije supstrata dovodi do ubrzanja reakcije. Što je više molekula aktivne tvari, reakcija se brže odvija, jer je uključeno više aktivnih centara. Međutim, ubrzanje je moguće samo dok ne budu uključeni svi molekuli enzima. Nakon toga, čak i povećanje koncentracije supstrata neće dovesti do ubrzanja reakcije.

  1. Temperatura.

Obično povećanje temperature dovodi do ubrzanja reakcija. Ovo pravilo važi za većinu enzimskih reakcija, ali samo dok temperatura ne poraste iznad 40 stepeni Celzijusa. Nakon ove oznake, brzina reakcije, naprotiv, počinje naglo opadati. Ako temperatura padne ispod kritične oznake, brzina enzimskih reakcija će se ponovo povećati. Ako temperatura nastavi rasti, kovalentne veze se raspadaju i katalitička aktivnost enzima se zauvijek gubi.

  1. Kiselost.

Na brzinu enzimskih reakcija utiče i pH vrednost. Svaki enzim ima svoj optimalni nivo kiselosti, na kojem se reakcija odvija najadekvatnije. Promjena pH razine utiče na aktivnost enzima, a time i na brzinu reakcije. Ako su promjene prevelike, supstrat gubi sposobnost da se veže za aktivnu jezgru, a enzim više ne može katalizirati reakciju. Obnavljanjem potrebnog pH nivoa vraća se i aktivnost enzima.

Enzimi prisutni u ljudskom tijelu mogu se podijeliti u 2 grupe:

  • metabolički;
  • digestivni.

Metabolički „rade“ na neutralizaciji toksičnih supstanci, kao i na podsticanju proizvodnje energije i proteina. I, naravno, ubrzavaju biohemijske procese u tijelu.

Za šta je odgovoran probavni sistem jasno je iz naziva. Ali i ovdje djeluje princip selektivnosti: određena vrsta enzima djeluje samo na jednu vrstu hrane. Stoga, da biste poboljšali probavu, možete pribjeći malom triku. Ako tijelo nešto iz hrane ne vari dobro, tada je potrebno dopuniti prehranu proizvodom koji sadrži enzim koji je u stanju da razgradi teško svarljivu hranu.

Enzimi u hrani su katalizatori koji razgrađuju hranu do stanja u kojem tijelo može apsorbirati korisne tvari iz njih. Probavni enzimi su nekoliko vrsta. U ljudskom tijelu, različite vrste enzima nalaze se u različitim dijelovima probavnog trakta.

Usnoj šupljini

U ovoj fazi alfa-amilaza djeluje na hranu. Razgrađuje ugljikohidrate, škrob i glukozu koji se nalaze u krompiru, voću, povrću i drugoj hrani.

Stomak

Ovdje pepsin razlaže proteine ​​u peptide, a želatinaza razgrađuje želatin i kolagen koji se nalaze u mesu.

Pankreas

U ovoj fazi, "radi":

  • tripsin - odgovoran je za razgradnju proteina;
  • alfa kimotripsin - pomaže u apsorpciji proteina;
  • elastaze - razgrađuju neke vrste proteina;
  • nukleaze - pomažu u razgradnji nukleinskih kiselina;
  • steapsin - potiče apsorpciju masne hrane;
  • amilaza - odgovorna je za asimilaciju škroba;
  • lipaza - razgrađuje masti (lipide) koje se nalaze u mliječnim proizvodima, orašastim plodovima, uljima i mesu.

Tanko crijevo

Oni "dočaravaju" preko čestica hrane:

  • peptidaze - cijepaju peptidna jedinjenja do nivoa aminokiselina;
  • saharaza - pomaže u apsorpciji složenih šećera i škroba;
  • maltaza - razgrađuje disaharide u stanje monosaharida (slatni šećer);
  • laktaza - razgrađuje laktozu (glukozu koja se nalazi u mliječnim proizvodima);
  • lipaza - potiče apsorpciju triglicerida, masnih kiselina;
  • erepsin - utiče na proteine;
  • izomaltaza - "radi" sa maltozom i izomaltozom.

Debelo crevo

Ovdje funkcije enzima obavljaju:

  • Escherichia coli – odgovorna je za varenje laktoze;
  • laktobacili - utiče na laktozu i neke druge ugljene hidrate.

Pored ovih enzima, postoje i:

  • dijastaza - probavlja biljni škrob;
  • invertaza - razgrađuje saharozu (stolni šećer);
  • glukoamilaza - pretvara škrob u glukozu;
  • alfa-galaktozidaza - pomaže u probavi pasulja, sjemena, proizvoda od soje, korjenastog i lisnatog povrća;
  • bromelain - enzim koji se dobija iz, potiče razgradnju različitih vrsta proteina, efikasan je na različitim nivoima kiselosti okoline, ima antiinflamatorna svojstva;
  • papain - enzim izolovan iz sirove papaje, potiče razgradnju malih i velikih proteina, efikasan je u širokom spektru supstrata i kiselosti.
  • celulaza - razgrađuje celulozu, biljna vlakna (nema ih u ljudskom tijelu);
  • endoproteaza - cijepa peptidne veze;
  • ekstrakt goveđe žuči - enzim životinjskog porijekla, stimulira pokretljivost crijeva;
    • i drugi minerali;
  • ksilanaza - razgrađuje glukozu iz žitarica.

Katalizatori u proizvodima

Enzimi su kritični za zdravlje jer pomažu tijelu da razgradi komponente hrane u stanje koje je pogodno za upotrebu nutrijenata. Crijeva i gušterača proizvode širok spektar enzima. Ali osim toga, mnogi od njihovih nutrijenata koji pomažu probavu nalaze se i u nekim namirnicama.

Fermentirana hrana je gotovo idealan izvor korisnih bakterija potrebnih za pravilnu probavu. A u vrijeme kada farmaceutski probiotici "rade" samo u gornjem dijelu probavnog sistema i često ne dospiju do crijeva, djelovanje enzimskih proizvoda osjeća se u cijelom gastrointestinalnom traktu.

Na primjer, kajsije sadrže mješavinu korisnih enzima, uključujući invertazu, koja je odgovorna za razgradnju glukoze i potiče brzo oslobađanje energije.

Avokado može biti prirodni izvor lipaze (podstiče bržu probavu lipida). U tijelu ovu supstancu proizvodi gušterača. Ali kako biste olakšali život ovom organu, možete se razmaziti, na primjer, salatom od avokada - ukusno i zdravo.

Osim što je možda najpoznatiji izvor kalija, banana također opskrbljuje tijelo amilazom i maltazom. Amilaza se takođe nalazi u hlebu, krompiru i žitaricama. Maltaza pomaže u razgradnji maltoze, takozvanog sladnog šećera, kojeg ima u izobilju u pivu i kukuruznom sirupu.

Drugo egzotično voće, ananas, sadrži razne enzime, uključujući bromelain. A on, prema nekim studijama, ima i antikancerogena i protuupalna svojstva.

Ekstremofili i industrija

Ekstremofili su supstance koje su u stanju da održavaju vitalnu aktivnost u ekstremnim uslovima.

Živi organizmi, kao i enzimi koji im omogućavaju da funkcionišu, pronađeni su u gejzirima, gde su temperature blizu tačke ključanja, duboko u ledu, kao iu uslovima ekstremnog saliniteta (Dolina smrti u SAD). Osim toga, naučnici su pronašli enzime za koje nivo pH, kako se pokazalo, takođe nije osnovni uslov za efikasan rad. Istraživači s posebnim zanimanjem proučavaju ekstremofilne enzime kao supstance koje se mogu široko koristiti u industriji. Iako su danas enzimi već našli svoju primenu u industriji kao biološki i ekološki prihvatljive supstance. Enzimi se koriste u prehrambenoj industriji, kozmetologiji i proizvodnji kućnih hemikalija.

Štoviše, "usluge" enzima u takvim slučajevima su jeftinije od sintetičkih analoga. Osim toga, prirodne tvari su biorazgradive, što njihovu upotrebu čini ekološki prihvatljivom. U prirodi postoje mikroorganizmi sposobni da razgrađuju enzime na pojedinačne aminokiseline, koje potom postaju komponente novog biološkog lanca. Ali to je, kako kažu, sasvim druga priča.

· Struktura i mehanizam delovanja enzima · Višestruki oblici enzima · Medicinski značaj · Praktična upotreba · Napomene · Literatura & middot

Aktivnost enzima određena je njihovom trodimenzionalnom strukturom.

Kao i svi proteini, enzimi se sintetiziraju kao linearni lanac aminokiselina koji se savija na određeni način. Svaka sekvenca aminokiselina je presavijena na poseban način, a rezultirajući molekul (proteinska globula) ima jedinstvena svojstva. Nekoliko proteinskih lanaca može se kombinirati kako bi se formirao proteinski kompleks. Tercijarna struktura proteina je uništena toplotom ili izlaganjem određenim hemikalijama.

Aktivni centar enzima

Proučavanje mehanizma kemijske reakcije koju enzim katalizira, uz određivanje međuprodukta i finalnih proizvoda u različitim fazama reakcije, podrazumijeva precizno poznavanje geometrije tercijarne strukture enzima, prirode funkcionalnog grupe njegovog molekula, koje obezbeđuju specifičnost delovanja i visoku katalitičku aktivnost na ovom supstratu, i, pored toga, hemijsku prirodu mesta (mesta) molekula enzima koje obezbeđuje visoku brzinu katalitičke reakcije. Obično su molekuli supstrata uključeni u enzimske reakcije relativno mali u poređenju sa molekulima enzima. Dakle, tokom formiranja kompleksa enzim-supstrat, samo ograničeni fragmenti aminokiselinske sekvence polipeptidnog lanca ulaze u direktnu hemijsku interakciju - "aktivni centar" - jedinstvenu kombinaciju aminokiselinskih ostataka u molekulu enzima koja obezbeđuje direktnu interakciju. sa molekulom supstrata i direktnim učešćem u činu katalize.

Aktivni centar se konvencionalno razlikuje:

  • katalitički centar - u direktnoj hemijskoj interakciji sa supstratom;
  • centar vezivanja (kontaktno ili "sidro" mjesto) - pruža specifičan afinitet za supstrat i formiranje kompleksa enzim-supstrat.

Da bi katalizirao reakciju, enzim se mora vezati za jedan ili više supstrata. Proteinski lanac enzima se savija na takav način da se na površini globule formira praznina ili šupljina, gdje se supstrati vezuju. Ovo područje se naziva mjesto vezivanja supstrata. Obično se podudara s aktivnim centrom enzima ili se nalazi blizu njega. Neki enzimi također sadrže vezna mjesta za kofaktore ili metalne jone.

Enzim koji se povezuje sa supstratom:

  • čisti podlogu od vodenog "premaza"
  • postavlja molekule supstrata koji reaguje u prostor na način neophodan da se reakcija odvija
  • priprema za reakciju (na primjer, polarizira) molekule supstrata.

Obično se vezivanje enzima za supstrat događa zbog jonskih ili vodoničnih veza, rijetko zbog kovalentnih veza. Na kraju reakcije, njen proizvod (ili proizvodi) se odvajaju od enzima.

Kao rezultat toga, enzim smanjuje energiju aktivacije reakcije. To je zato što se u prisustvu enzima reakcija odvija drugim putem (u stvari, dolazi do drugačije reakcije), na primjer:

U nedostatku enzima:

  • A + B = AB

U prisustvu enzima:

  • A + F = AF
  • AF + B = AVF
  • AVF = AV + F

gdje su A, B supstrati, AB je proizvod reakcije, F je enzim.

Enzimi ne mogu samostalno osigurati energiju endergonskim reakcijama (za koje je energija potrebna). Stoga, enzimi koji provode takve reakcije kombinuju ih sa eksergonskim reakcijama koje oslobađaju više energije. Na primjer, reakcije za sintezu biopolimera često su povezane s reakcijom hidrolize ATP-a.

Aktivni centri nekih enzima karakteriziraju se fenomenom kooperativnosti.

Specifičnost

Enzimi obično pokazuju visoku specifičnost za svoje supstrate (specifičnost supstrata). Ovo se postiže djelomičnom komplementarnošću oblika, raspodjele naboja i hidrofobnih područja na molekulu supstrata i na mjestu vezivanja supstrata na enzimu. Enzimi obično pokazuju i visok nivo stereospecifičnosti (formiraju samo jedan od mogućih stereoizomera kao proizvod ili se samo jedan stereoizomer koristi kao supstrat), regioselektivnost (formiraju ili prekidaju hemijsku vezu samo u jednoj od mogućih pozicija supstrat) i hemoselektivnost (katalizuju samo jednu hemijsku reakciju od nekoliko mogućih za date uslove). Uprkos opštem visokom nivou specifičnosti, stepen specifičnosti supstrata i reakcije enzima može biti različit. Na primjer, tripsin endopeptidaza razbija peptidnu vezu tek nakon arginina ili lizina, ako ne slijedi prolin, a pepsin je mnogo manje specifičan i može razbiti peptidnu vezu nakon mnogih aminokiselina.

Model sa ključem

Emil Fischer je 1890. godine sugerirao da je specifičnost enzima određena tačnom korespondencijom između oblika enzima i supstrata. Ova pretpostavka se naziva model zaključavanja ključa. Enzim se kombinuje sa supstratom i formira kratkotrajni kompleks enzim-supstrat. Istovremeno, uprkos činjenici da ovaj model objašnjava visoku specifičnost enzima, on ne objašnjava fenomen stabilizacije prelaznog stanja, koji se uočava u praksi.

Model indukovanog podudaranja

Godine 1958. Daniel Koshland je predložio modifikaciju modela brave sa ključem. Enzimi općenito nisu kruti već fleksibilni molekuli. Aktivno mjesto enzima može promijeniti svoju konformaciju nakon vezivanja supstrata. Bočne grupe aminokiselina aktivnog centra zauzimaju položaj koji omogućava enzimu da izvrši svoju katalitičku funkciju. U nekim slučajevima, molekul supstrata također mijenja konformaciju nakon vezivanja na aktivnom mjestu. Za razliku od modela zaključavanja ključa, model induciranog uklapanja objašnjava ne samo specifičnost enzima, već i stabilizaciju prijelaznog stanja. Ovaj model se zove “ruka rukavica”.

Modifikacije

Nakon sinteze proteinskog lanca, mnogi enzimi prolaze kroz modifikacije, bez kojih enzim ne ispoljava u potpunosti svoju aktivnost. Takve modifikacije se nazivaju posttranslacijske modifikacije (obrada). Jedan od najčešćih tipova modifikacije je vezivanje hemijskih grupa na bočne ostatke polipeptidnog lanca. Na primjer, dodavanje ostatka fosforne kiseline naziva se fosforilacija, a katalizira ga enzim kinaza. Mnogi eukariotski enzimi su glikozilirani, odnosno modificirani oligomerima ugljikohidratne prirode.

Drugi uobičajeni tip post-translacijske modifikacije je cijepanje polipeptidnog lanca. Na primjer, kimotripsin (proteaza uključena u probavu) nastaje cijepanjem polipeptidnog mjesta od kimotripsinogena. Kimotripsinogen je neaktivni prekursor kimotripsina i sintetizira se u pankreasu. Neaktivni oblik se transportuje u želudac gdje se pretvara u himotripsin. Takav mehanizam je neophodan kako bi se izbjegao raspad pankreasa i drugih tkiva prije nego enzim uđe u želudac. Neaktivni prekursor enzima se također naziva "zimogen".

Enzimski kofaktori

Neki enzimi obavljaju katalitičku funkciju sami, bez ikakvih dodatnih komponenti. Međutim, postoje enzimi koji zahtijevaju ne-proteinske komponente za katalizu. Kofaktori mogu biti i neorganski molekuli (joni metala, klasteri željezo-sumpor, itd.) i organski (na primjer, flavin ili hem). Organski kofaktori koji su čvrsto vezani za enzim nazivaju se i prostetičke grupe. Organski kofaktori koji se mogu odvojiti od enzima nazivaju se koenzimi.

Enzim koji zahtijeva, ali nije povezan s kofaktorom za katalitičku aktivnost, naziva se apo-enzim. Apo-enzim u kombinaciji sa kofaktorom naziva se holo-enzim. Većina kofaktora je povezana sa enzimom nekovalentnim, ali prilično jakim interakcijama. Postoje i takve prostetske grupe koje su kovalentno vezane za enzim, na primjer, tiamin pirofosfat u piruvat dehidrogenazi.

Regulacija enzima

Neki enzimi imaju mala mjesta za vezivanje molekula; oni mogu biti supstrati ili produkti metaboličkog puta u koji enzim ulazi. Oni smanjuju ili povećavaju aktivnost enzima, što stvara priliku za povratnu informaciju.

Inhibicija krajnjeg proizvoda

Metabolički put je lanac uzastopnih enzimskih reakcija. Često je krajnji proizvod metaboličkog puta inhibitor enzima koji ubrzava prvu od reakcija datog metaboličkog puta. Ako je konačnog proizvoda previše, tada djeluje kao inhibitor za prvi enzim, a ako nakon ovog konačnog proizvoda ostane premalo, onda se prvi enzim ponovo aktivira. Dakle, inhibicija krajnjim proizvodom po principu negativne povratne sprege je važan način održavanja homeostaze (relativne konstantnosti uslova unutrašnje sredine tela).

Utjecaj uslova okoline na aktivnost enzima

Aktivnost enzima zavisi od uslova u ćeliji ili organizmu - pritiska, kiselosti sredine, temperature, koncentracije rastvorenih soli (jonska jačina rastvora) itd.

0

Istorija razvoja nauke o enzimima

Svi životni procesi zasnovani su na hiljadama hemijskih reakcija. U organizam prolaze bez upotrebe visoke temperature i pritiska, odnosno u blagim uslovima. Supstance koje se oksidiraju u ljudskim i životinjskim ćelijama brzo i efikasno sagorevaju, obogaćujući organizam energijom i građevinskim materijalima. Ali iste supstance mogu se čuvati godinama kako u konzerviranom (izolovanom od vazduha) obliku, tako iu vazduhu u prisustvu kiseonika. Na primjer, mesne i riblje konzerve, pasterizirano mlijeko, šećer, žitarice se ne raspadaju kada se čuvaju duže vrijeme. Sposobnost brzog varenja proizvoda u živom organizmu ostvaruje se zahvaljujući prisutnosti posebnih bioloških katalizatora u stanicama - enzima.

Enzimi su specifični proteini koji su dio svih ćelija i tkiva živih organizama, koji imaju ulogu bioloških katalizatora. Ljudi su dugo učili o enzimima. Početkom prošlog veka u Sankt Peterburgu, K.S. Kirchhoff je otkrio da je proklijali ječam sposoban da pretvori polisaharidni skrob u disaharidnu maltozu, a ekstrakt kvasca razdvoji šećer iz repe u monosaharide - glukozu i fruktozu. To su bile prve studije fermentologije. A praktična primjena enzimskih procesa poznata je od pamtivijeka. To je i fermentacija grožđa, i kvasac pri pravljenju kruha, i proizvodnja sira i još mnogo toga.

Sada se u različitim udžbenicima, priručnicima i naučnoj literaturi koriste dva pojma: "enzimi" i "enzimi". Ova imena su identična. Oni znače istu stvar - biološki katalizatori. Prva riječ je prevedena kao "kvasac", druga - "u kvascu".

Dugo vremena nisu zamišljali šta se dešava u kvascu, kakva je sila u njemu, koja čini da se supstance razgrađuju i pretvaraju u jednostavnije. Tek nakon pronalaska mikroskopa ustanovljeno je da je kvasac nakupina velikog broja mikroorganizama koji koriste šećer kao glavni nutrijent. Drugim riječima, svaka ćelija kvasca je "punjena" enzimima koji mogu razgraditi šećer. Ali u isto vrijeme, poznati su i drugi biološki katalizatori, koji nisu bili zatvoreni u živoj ćeliji, već slobodno "živeli" izvan nje. Na primjer, pronađeni su u sastavu želučanih sokova, ekstrakta stanica. S tim u vezi, u prošlosti su se razlikovale dvije vrste katalizatora: vjerovalo se da su sami enzimi neodvojivi od stanice i da ne mogu funkcionirati izvan nje, odnosno da su "organizirani". A "neorganizovani" katalizatori koji mogu da rade izvan ćelije nazivaju se enzimi. Ova opozicija "živih" enzima i "neživih" enzima objašnjena je uticajem vitalista, borbom između materijalizma i idealizma u prirodnoj nauci. Stavovi naučnika su podijeljeni. Osnivač mikrobiologije L. Pasteur je tvrdio da je aktivnost enzima određena životom ćelije. Ako je ćelija uništena, tada će prestati i djelovanje enzima. Hemičari na čelu sa J. Liebigom razvili su čisto hemijsku teoriju fermentacije, dokazujući da aktivnost enzima ne zavisi od postojanja ćelije.

Godine 1871. ruski lekar MM Manaseina uništio je ćelije kvasca trljajući ih rečnim peskom. Ćelijski sok, odvojen od ćelijskih ostataka, zadržao je svoju sposobnost fermentacije šećera. Ovo jednostavno i uvjerljivo iskustvo ruskog ljekara zanemareno je u carskoj Rusiji. Četvrt vijeka kasnije, njemački naučnik E. Buchner dobio je sok bez ćelija presovanjem živog kvasca pod pritiskom do 5 · 10 6 Pa. Ovaj sok, poput živog kvasca, fermentirao je šećer da nastane alkohol i ugljični monoksid (IV):

Radovi A. N. Lebedeva o proučavanju ćelija kvasca i radovi drugih naučnika stavili su tačku na vitalističke koncepte u teoriji biološke katalize, a termini "enzim" i "enzim" počeli su da se koriste naizmjenično.

Danas je fermentologija nezavisna nauka. Izolirano i proučavano oko 2000 enzima. Doprinos ovoj nauci dali su sovjetski naučnici - naši savremenici A.E.Braunstein, V.N.Orekhovich, V.A.Engelgard, A.A.

Hemijska priroda enzima

Krajem prošlog veka sugerisano je da su enzimi proteini ili neke supstance koje su veoma slične proteinima. Gubitak enzimske aktivnosti zagrijavanjem je vrlo sličan toplinskoj denaturaciji proteina. Temperaturni raspon za denaturaciju i za inaktivaciju je isti. Kao što znate, denaturacija proteina može biti uzrokovana ne samo zagrijavanjem, već i djelovanjem kiselina, soli teških metala, lužina, produženim izlaganjem ultraljubičastim zracima. Ti isti hemijski i fizički faktori dovode do gubitka aktivnosti enzima.

U otopinama se enzimi, kao i proteini, ponašaju na sličan način pod djelovanjem električne struje: molekule se kreću na katodu ili anodu. Promjena koncentracije vodikovih iona u otopinama proteina ili enzima dovodi do akumulacije pozitivnog ili negativnog naboja u njima. Ovo dokazuje amfoternu prirodu enzima i potvrđuje njihovu proteinsku prirodu. Još jedan dokaz proteinske prirode enzima je da oni ne prolaze kroz polupropusne membrane. To također dokazuje njihovu visoku molekularnu težinu. Ali ako su enzimi proteini, onda tokom dehidracije njihova aktivnost ne bi trebalo da se smanji. Eksperimenti potvrđuju tačnost ove pretpostavke.

Zanimljiv eksperiment izveden je u laboratoriji I.P. Pavlova. Dobivajući želudačni sok kroz fistulu kod pasa, osoblje je ustanovilo da što je više proteina u soku, to je veća njegova aktivnost, odnosno detektovani protein je enzim želučanog soka.

Dakle, fenomeni denaturacije i pokretljivosti u električnom polju, amfoternosti molekula, visokomolekularne prirode, sposobnosti taloženja iz rastvora pod dejstvom dehidrirajućih agenasa (acetona ili alkohola) dokazuju proteinsku prirodu enzima.

Do danas je ova činjenica utvrđena mnogim, čak i suptilnijim fizičkim, hemijskim ili biološkim metodama.

Već znamo da su proteini vrlo različiti po sastavu i, prije svega, mogu biti jednostavni ili složeni. Koji su proteini trenutno poznati enzimi?

Naučnici iz različitih zemalja su ustanovili da su mnogi enzimi jednostavni proteini. To znači da se tokom hidrolize molekuli ovih enzima razlažu samo do aminokiselina. U hidrolizatu takvih proteina-enzima ne može se naći ništa osim aminokiselina. Jednostavni enzimi uključuju pepsin - enzim koji probavlja bjelančevine u želucu i sadržan u želučanom soku, tripsin - enzim soka pankreasa, papain - biljni enzim, ureazu itd.

Kompleksni enzimi uključuju, osim aminokiselina, tvari neproteinske prirode. Na primjer, redoks enzimi ugrađeni u mitohondrije sadrže, osim proteinskog dijela, atome željeza, bakra i druge termostabilne grupe. Neproteinski dio enzima mogu biti i složenije tvari: vitamini, nukleotidi (monomeri nukleinskih kiselina), nukleotidi sa tri fosforna ostatka, itd. Dogovorili smo se da neproteinski dio u tako složenim proteinima zovemo koenzim, i proteinski dio - apoenzim.

Razlika enzima od nebioloških katalizatora

U školskim udžbenicima i udžbenicima iz hemije detaljno se analizira djelovanje katalizatora, daje se ideja o energetskoj barijeri, energiji aktivacije. Podsjetimo samo da uloga katalizatora leži u njihovoj sposobnosti da aktiviraju molekule tvari koje ulaze u reakciju. To dovodi do smanjenja energije aktivacije. Reakcija se ne odvija u jednoj, već u nekoliko faza s formiranjem međuspojeva. Katalizatori ne mijenjaju smjer reakcije, već samo utječu na brzinu kojom se postiže stanje kemijske ravnoteže. U kataliziranoj reakciji uvijek se troši manje energije u odnosu na nekataliziranu. U toku reakcije enzim mijenja svoju ambalažu, "napreza se" i na kraju reakcije poprima svoju prvobitnu strukturu, vraća se u prvobitni oblik.

Enzimi su isti katalizatori. Svi zakoni katalize su im inherentni. Ali enzimi su proteini i to im daje posebna svojstva. Šta enzimi imaju zajedničko sa nama poznatim katalizatorima, na primjer, platinom, vanadij (V) oksidom i drugim neorganskim akceleratorima reakcija, i po čemu se razlikuju?

Isti anorganski katalizator može se koristiti u različitim industrijama. A enzim katalizuje samo jednu reakciju ili jednu vrstu reakcije, to jest, specifičniji je od neorganskog katalizatora.

Temperatura uvijek utiče na brzinu hemijskih reakcija. Većina reakcija s neorganskim katalizatorima odvija se na vrlo visokim temperaturama. Kako temperatura raste, brzina reakcije se po pravilu povećava (slika 1). Za enzimske reakcije, ovo povećanje je ograničeno na određenu temperaturu (temperaturni optimum). Daljnji porast temperature uzrokuje promjene u molekuli enzima, što dovodi do smanjenja brzine reakcije (slika 1). Ali neki enzimi, na primjer, enzimi mikroorganizama koji se nalaze u vodi toplih prirodnih izvora, ne samo da podnose temperature blizu točke ključanja vode, već čak pokazuju svoju maksimalnu aktivnost. Za većinu enzima optimalna temperatura je blizu 35-45 °C. Na višim temperaturama njihova aktivnost opada, a zatim dolazi do potpune termičke denaturacije.

Rice. 1. Utjecaj temperature na aktivnost enzima: 1 - povećanje brzine reakcije, 2 - smanjenje brzine reakcije.

Mnogi neorganski katalizatori su najefikasniji u jako kiselim ili jako alkalnim sredinama. Za razliku od njih, enzimi su aktivni samo pri fiziološkim vrijednostima kiselosti otopine, samo pri takvoj koncentraciji vodikovih iona koja je kompatibilna sa životom i normalnim funkcioniranjem stanice, organa ili sustava.

Reakcije uz učešće anorganskih katalizatora po pravilu se odvijaju pri visokim pritiscima, a enzimi rade pri normalnom (atmosferskom) pritisku.

A najiznenađujuća razlika između enzima i drugih katalizatora je ta što je brzina reakcija koje kataliziraju enzimi desetine hiljada, a ponekad i milione puta veća od one koja se može postići uz učešće neorganskih katalizatora.

Poznati vodikov peroksid, koji se u svakodnevnom životu koristi kao sredstvo za izbjeljivanje i dezinfekciju, polako se razgrađuje bez katalizatora:

U prisustvu neorganskog katalizatora (soli željeza), ova reakcija se odvija nešto brže. A katalaza (enzim prisutan u skoro svim ćelijama) uništava vodonik peroksid nezamislivom brzinom: jedan molekul katalaze razgrađuje više od 5 miliona molekula H2O2 u jednoj minuti.

Univerzalna distribucija katalaze u stanicama svih organa aerobnih organizama i visoka aktivnost ovog enzima objašnjavaju se činjenicom da je vodikov peroksid snažan ćelijski otrov. Proizvodi se u stanicama kao nusprodukt mnogih reakcija, ali je na oprezu enzim katalaza, koji sada razlaže vodikov peroksid u bezopasni kisik i vodu.

Aktivni centar enzima

Obavezna faza u kataliziranoj reakciji je interakcija enzima sa supstancom čiju transformaciju katalizuje - sa supstratom: formira se kompleks enzim-supstrat. U gornjem primjeru, vodikov peroksid je supstrat za djelovanje katalaze.

Ispostavilo se da je u enzimskim reakcijama molekula supstrata mnogo puta manja od molekule proteina enzima. Posljedično, supstrat ne može kontaktirati cijeli ogromni enzimski molekul, već samo s nekim njegovim malim dijelovima ili čak zasebnom grupom, atomom. Kako bi potvrdili ovu pretpostavku, naučnici su odcijepili jednu ili više aminokiselina iz enzima, a to nije utjecalo ili gotovo nije utjecalo na brzinu katalizirane reakcije. Ali cijepanje određenih specifičnih aminokiselina ili grupe dovelo je do potpunog gubitka katalitičkih svojstava enzima. Tako je nastala ideja o aktivnom centru enzima.

Aktivni centar je dio proteinske molekule koji osigurava vezu enzima sa supstratom i omogućava daljnje transformacije supstrata. Proučavano je nekoliko aktivnih centara različitih enzima. To je ili funkcionalna grupa (na primjer, OH grupa serina) ili jedna aminokiselina. Ponekad je potrebno nekoliko aminokiselina da bi se osiguralo katalitičko djelovanje određenim redoslijedom.

U sklopu aktivnog centra izdvajaju se područja koja se razlikuju po svojim funkcijama. Neka područja aktivnog centra osiguravaju prianjanje na podlogu, snažan kontakt s njom. Stoga se nazivaju sidrenim ili kontaktnim područjima. Drugi obavljaju vlastitu katalitičku funkciju, aktiviraju supstrat - katalitička mjesta. Ova uslovna podjela aktivnog mjesta pomaže da se preciznije predstavi mehanizam katalitičke reakcije.

Proučavan je i tip hemijske veze u kompleksima enzim-supstrat. Supstanca (supstrat) se zadržava na enzimu uz sudjelovanje različitih vrsta veza: vodikovih mostova, ionskih, kovalentnih, donor-akceptorskih veza, van der Waalsovih adhezionih sila.

Deformacija molekula enzima u otopini dovodi do pojave njegovih izomera, koji se razlikuju po tercijarnoj strukturi. Drugim riječima, enzim usmjerava svoje funkcionalne grupe uključene u aktivni centar tako da se manifestira najveća katalitička aktivnost. Ali molekuli supstrata također se mogu deformirati, "napregnuti" prilikom interakcije sa enzimom. Ovi savremeni koncepti interakcije enzima i supstrata razlikuju se od ranije dominantne teorije E. Fišera, koji je verovao da molekul supstrata tačno odgovara aktivnom centru enzima i da mu odgovara kao ključ brave.

Svojstva enzima

Najvažnije svojstvo enzima je preferencijalno ubrzanje jedne od nekoliko teorijski mogućih reakcija. Ovo omogućava supstratima da izaberu najkorisniji lanac transformacija za organizam iz brojnih mogućih puteva.

U zavisnosti od uslova, enzimi su sposobni da kataliziraju i direktne i reverzne reakcije. Na primjer, pirogrožđana kiselina se pod utjecajem enzima laktat dehidrogenaze pretvara u krajnji proizvod fermentacije - mliječnu kiselinu. Isti enzim katalizuje obrnutu reakciju, a ime je dobio ne po direktnoj, već po reverznoj reakciji. Obje reakcije se javljaju u tijelu pod različitim uvjetima:

Ovo svojstvo enzima je od velike praktične važnosti.

Još jedno važno svojstvo enzima je termička labilnost, odnosno visoka osjetljivost na promjene temperature. Već smo rekli da su enzimi proteini. Za većinu njih, temperature iznad 70°C dovode do denaturacije i gubitka aktivnosti. Iz kursa hemije je poznato da povećanje temperature za 10°C dovodi do povećanja brzine reakcije za 2-3 puta, što je tipično za enzimske reakcije, ali do određene granice. Na temperaturama blizu 0°C, brzina enzimskih reakcija usporava se na minimum. Ova imovina se široko koristi u raznim sektorima nacionalne privrede, posebno u poljoprivredi i medicini. Na primjer, sve postojeće metode očuvanja bubrega prije transplantacije pacijentu uključuju hlađenje ovog organa kako bi se smanjio intenzitet biohemijskih reakcija i produžio život bubrega prije nego što se transplantira osobi. Ova tehnika spasila je zdravlje i živote desetinama hiljada ljudi u svijetu.

Rice. 2. Utjecaj pH na aktivnost enzima.

Jedno od najvažnijih svojstava enzimskih proteina je njihova osjetljivost na reakciju medija, koncentraciju vodikovih iona ili hidroksidnih jona. Enzimi su aktivni samo u uskom rasponu kiselosti ili alkalnosti medija (pH). Na primjer, aktivnost pepsina u želučanoj šupljini je maksimalna pri pH od oko 1 -1,5. Smanjenje kiselosti dovodi do dubokog poremećaja probavnog čina, neprobavljivosti hrane i teških komplikacija. Iz predmeta biologije znate da probava počinje već u usnoj šupljini, gdje je prisutna pljuvačna amilaza. Optimalna pH vrijednost za njega je 6,8-7,4. Različite enzime digestivnog trakta karakterišu velike razlike u pH optimuma (slika 2). Promjena reakcije okoline dovodi do promjene naboja na molekuli enzima ili čak u njegovom aktivnom centru, uzrokujući smanjenje ili potpuni gubitak aktivnosti.

Sljedeće važno svojstvo je specifičnost djelovanja enzima. Katalaza razgrađuje samo vodikov peroksid, ureaza samo ureu H 2 N-CO-NH 2, odnosno enzim katalizuje transformaciju samo jednog supstrata, samo njegov molekul "prepoznaje". Ova specifičnost se smatra apsolutnom. Ako enzim katalizira konverziju nekoliko supstrata s istom funkcionalnom grupom, tada se ova specifičnost naziva grupno specifičnom. Na primjer, fosfataza katalizira eliminaciju ostataka fosforne kiseline:

Svojevrsna specifičnost je osjetljivost enzima na samo jedan izomer – stereohemijska specifičnost.

Enzimi utiču na stopu konverzije različitih supstanci. Ali neke tvari također utječu na enzime, dramatično mijenjajući njihovu aktivnost. Supstance koje povećavaju aktivnost enzima, aktiviraju ih nazivaju se aktivatorima, a one koje ih inhibiraju nazivaju se inhibitorima. Inhibitori mogu nepovratno uticati na enzim. Nakon njihovog djelovanja, enzim nikada ne može katalizirati svoju reakciju, jer će se njegova struktura jako promijeniti. Tako na enzim djeluju soli teških metala, kiseline, alkalije. Reverzibilni inhibitor se može ukloniti iz otopine i enzim se reaktivira. Takva reverzibilna inhibicija se često odvija na kompetitivni način, tj. supstrat i sličan inhibitor se bore za aktivni centar. Ova inhibicija se može ukloniti povećanjem koncentracije supstrata i istiskivanjem inhibitora iz aktivnog centra supstratom.

Važno svojstvo mnogih enzima je da su u neaktivnom obliku u tkivima i ćelijama (slika 3). Neaktivni oblik enzima naziva se proenzim. Klasični primjeri su neaktivni oblici pepsina ili tripsina. Postojanje neaktivnih oblika enzima je od velike biološke važnosti. Ako bi se pepsin ili tripsin proizvodili odmah u aktivnom obliku, onda bi to dovelo do činjenice da je, na primjer, pepsin "provario" zid želuca, odnosno da se želudac "probavlja" sam. To se ne događa jer pepsin ili tripsin postaju aktivni tek nakon ulaska u želučanu šupljinu ili u tanko crijevo: od pepsina se pod djelovanjem hlorovodonične kiseline sadržane u želučanom soku odcjepljuje nekoliko aminokiselina i on stječe sposobnost razgradnje proteina. I sam želudac je sada zaštićen od djelovanja probavnih enzima sluznicom koja oblaže njegovu šupljinu.

Rice. 3 Šema konverzije tripsinogena u aktivni tripsin: A - tripsinogen; B - tripsin; 1 - mesto odvajanja peptida; 2 - vodonične veze; 3 - disulfidni most; 4 - peptid se pocijepao tokom aktivacije.

Proces aktivacije enzima obično se odvija na jedan od četiri načina, prikazanih na slici 4. U prvom slučaju, cijepanje peptida od neaktivnog enzima „otvara“ aktivni centar i čini enzim aktivnim.

Rice. 4 načina aktivacije enzima (molekula supstrata je označena senčenjem):

1 - cijepanje male površine (peptida) od proenzima i pretvaranje neaktivnog proenzima u aktivni enzim; 2 - formiranje disulfidnih veza iz SH-grupa, oslobađajući aktivni centar; 3 - formiranje kompleksa proteina sa metalima, aktiviranje enzima: 4 formiranje kompleksa enzima sa nekom supstancom (ovo oslobađa pristup aktivnom centru).

Drugi put je formiranje S-S disulfidnih mostova, čineći aktivno mjesto dostupnim. U trećem slučaju, prisustvo metala aktivira enzim koji može djelovati samo u kombinaciji s ovim metalom. Četvrti način ilustruje aktivaciju nekom supstancom koja se vezuje za periferni region proteinske molekule i deformiše enzim na način da olakša pristup supstratu aktivnom centru.

Poslednjih godina otkriven je još jedan način regulacije aktivnosti enzima, a pokazalo se da jedan enzim, na primer, laktat dehidrogenaza, može biti u više molekularnih oblika koji se međusobno razlikuju, iako svi kataliziraju istu reakciju. Tako različiti molekuli enzima u sastavu, koji katalizuju istu reakciju, nalaze se čak i unutar iste ćelije. Zovu se izoenzimi, odnosno izomeri enzima. U već nazvanoj laktat dehidrogenazi pronađeno je pet različitih izoenzima. Koja je uloga više oblika istog enzima? Očigledno, tijelo "osigurava" neke posebno važne reakcije, kada, kada se promijene uslovi u ćeliji, proradi jedan ili drugi oblik izoenzima, koji obezbjeđuje potrebnu brzinu i smjer procesa.

I još jedno važno svojstvo enzima. Oni često funkcionišu u ćeliji ne odvojeno jedan od drugog, već su organizovani u obliku kompleksa – enzimskih sistema (slika 5): proizvod prethodne reakcije je supstrat za sledeću. Ovi sistemi su ugrađeni u ćelijske membrane i obezbeđuju brzu ciljanu oksidaciju supstance, "prenoseći" je sa enzima na enzim. Sintetički procesi u ćeliji odvijaju se u sličnim enzimskim sistemima.

Klasifikacija enzima

Raspon pitanja koja proučava fermentologija je širok. Broj enzima koji se koriste u zdravstvu, poljoprivredi, mikrobiologiji i drugim granama nauke i prakse je velik. To je stvaralo poteškoće u karakterizaciji enzimskih reakcija, jer se jedan te isti enzim može imenovati ili po supstratu, ili po vrsti kataliziranih reakcija, ili po starom terminu koji se čvrsto ustalio u literaturi: na primjer, pepsin, tripsin , katalaza.

Rice. 5. Predložena struktura multienzimskog kompleksa koji sintetiše masne kiseline (sedam podjedinica enzima je odgovorno za sedam hemijskih reakcija).

Stoga je 1961. godine Međunarodni biohemijski kongres u Moskvi odobrio klasifikaciju enzima, koja se zasniva na vrsti reakcije koju ovaj enzim katalizira. Naziv enzima obavezno sadrži naziv supstrata, odnosno jedinjenja na koje ovaj enzim utiče, i završetak -ase. Na primjer, arginaza katalizira hidrolizu arginina.

Prema ovom principu, svi enzimi su podijeljeni u šest klasa.

1. Enzimi oksidoreduktaze koji katalizuju redoks reakcije, na primjer katalaza:

2. Transferaze - enzimi koji kataliziraju prijenos atoma ili radikala, na primjer metiltransferaze, prenoseći CH3 grupu:

3. Hidrolaze - enzimi koji razbijaju intramolekularne veze vezivanjem molekula vode, kao što je fosfataza:

4. Liaze - enzimi koji cijepaju jednu ili drugu grupu sa supstrata bez dodavanja vode, na nehidrolitički način, na primjer, cijepanje karboksilne grupe dekarboksilazom:

5. Izomeraze - enzimi koji katalizuju konverziju jednog izomera u drugi:

Glukoza-6-fosfat-> glukoza-1-fosfat

6. Enzimi koji kataliziraju reakcije sinteze, na primjer, sintezu peptida iz aminokiselina. Ova klasa enzima se zove sintetaze.

Predloženo je da se svaki enzim kodira šifrom od četiri cifre, pri čemu prva označava broj klase, a druga tri detaljnije karakteriziraju svojstva enzima, njegovu podklasu i pojedinačni kataloški broj.

Kao primjer klasifikacije enzima dajemo četverocifreni kod koji je dodijeljen pepsinu - 3.4.4L. Broj 3 označava klasu enzima - hidrolaze. Sljedeći broj 4 označava potklasu peptidnih hidrolaza, tj. one enzime koji hidroliziraju upravo peptidne veze. Drugi broj 4 označava pod-podklasu zvanu peptidil peptid hidrolaze. Ova pod-podklasa već uključuje pojedinačne enzime, a prvi u njoj je pepsin, kojem je dodijeljen serijski broj 1.

Tako ispada njegov kod - 3.4.4.1. Tačke primjene djelovanja enzima klase hidrolaza prikazane su na slici 6.

Rice. 6. Cepanje peptidnih veza raznim proteolitičkim enzimima.

Enzimsko djelovanje

Obično se enzimi izoluju iz različitih objekata životinjskog, biljnog ili mikrobnog porijekla i proučavaju njihovo djelovanje izvan ćelije i organizma. Ove studije su veoma važne za razumevanje mehanizma delovanja enzima, proučavanje njihovog sastava i karakteristika reakcija koje katalizuju. Ali informacije dobijene na ovaj način ne mogu se mehanički direktno prenijeti na aktivnost enzima u živoj ćeliji. Izvan ćelije, teško je reproducirati uslove u kojima enzim radi, na primjer, u mitohondrijima ili lizozomima. Osim toga, nije uvijek poznato koliko je dostupnih molekula enzima uključeno u reakciju – svi ili samo neki od njih.

Gotovo uvijek se ispostavi da stanica sadrži jedan ili drugi enzim, čiji sadržaj nekoliko desetina puta premašuje količinu potrebnu za normalan metabolizam. Metabolizam je različit po intenzitetu u različitim periodima života ćelije, međutim, u njemu ima mnogo više enzima nego što bi to bilo potrebno za maksimalan nivo metabolizma. Na primjer, sastav ćelija srčanog mišića sadrži toliko citokroma c da može izvršiti oksidaciju, 20 puta veću od maksimalne potrošnje kisika u srčanom mišiću. Kasnije su otkrivene supstance koje mogu "isključiti" neke od molekula enzima. To su takozvani inhibirajući faktori. Za razumijevanje mehanizma djelovanja enzima važno je i da u ćeliji nisu samo u otopini, već su ugrađeni u strukturu ćelije. Sada je poznato koji su enzimi ugrađeni u vanjsku membranu mitohondrija, koji su ugrađeni u unutrašnju membranu, koji su povezani sa jezgrom, lizosomima i drugim supćelijskim strukturama.

Bliska "teritorijalna" lokacija enzima koji katalizuje prvu reakciju na enzime koji katalizuju drugu, treću i naredne reakcije snažno utječe na ukupni rezultat njihovog djelovanja. Na primjer, lanac enzima koji prenose elektrone do kisika ugrađen je u mitohondrije - sistem citokroma. On katalizuje oksidaciju supstrata kako bi se formirala energija koja se pohranjuje u ATP.

Kada se enzimi ekstrahuju iz ćelije, koherentnost njihovog zajedničkog rada je poremećena. Stoga pokušavaju proučavati rad enzima bez uništavanja struktura u kojima su izgrađeni njihovi molekuli. Na primjer, ako se dio tkiva drži u otopini supstrata, a zatim se tretira reagensom koji će dati obojeni kompleks s produktima reakcije, tada će obojena područja ćelije biti jasno vidljiva u mikroskopu: enzim koji se rascijepio supstrat je lokaliziran (lociran) na ovim područjima. Tako je ustanovljeno u kojim ćelijama želuca se nalazi pepsinogen iz kojih se dobija enzim pepsin.

Sada se široko koristi još jedna metoda koja omogućava utvrđivanje lokalizacije enzima - separacijsko centrifugiranje. Da biste to učinili, tkivo koje se proučava (na primjer, komadići jetre laboratorijskih životinja) se drobi, a zatim se od njega priprema kaša u otopini saharoze. Smjesa se prenosi u epruvete i centrifugira pri velikim brzinama. Različiti ćelijski elementi, ovisno o njihovoj masi i veličini, raspoređuju se u gustom rastvoru saharoze tokom rotacije na otprilike sljedeći način:

Da bi se dobila teška jezgra, potrebno je relativno malo ubrzanje (manji broj okretaja). Nakon odvajanja jezgara, povećavajući broj okretaja, sukcesivno se talože mitohondrije i mikrozomi i dobija se citoplazma. Sada se aktivnost enzima može proučavati u svakoj od izoliranih frakcija. Pokazalo se da je većina poznatih enzima lokalizirana pretežno u jednoj ili drugoj frakciji. Na primjer, enzim aldolaza je lokaliziran u citoplazmi, a enzim koji oksidira kaproinsku kiselinu je pretežno u mitohondrijima.

Ako je membrana, u koju su enzimi ugrađeni, oštećena, ne odvijaju se složeni međusobno povezani procesi, odnosno svaki enzim može djelovati samo sam.

Ćelije biljaka i mikroorganizama, kao i životinjske ćelije, sadrže vrlo slične ćelijske frakcije. Na primjer, biljni plastidi u svom enzimskom skupu podsjećaju na mitohondrije. U mikroorganizmima su pronađena zrna koja liče na ribozome, a sadrže i velike količine ribonukleinske kiseline. Enzimi koji čine životinjske, biljne i mikrobne ćelije imaju sličan učinak. Na primjer, hijaluronidaza olakšava mikrobima da uđu u tijelo, doprinoseći uništavanju ćelijskog zida. Isti enzim nalazi se u različitim tkivima životinjskih organizama.

Dobijanje i korištenje enzima

Enzimi se nalaze u svim tkivima životinja i biljaka. Međutim, količina istog enzima u različitim tkivima i snaga vezivanja enzima za tkivo nisu iste. Stoga, u praksi, njegov prijem nije uvijek opravdan.

Izvor dobijanja enzima mogu biti probavni sokovi ljudi i životinja. U sokovima je relativno malo stranih nečistoća, ćelijskih elemenata i drugih komponenti koje se moraju odložiti pri dobijanju čistog preparata. Ovo su gotovo čiste otopine enzima.

Teže je dobiti enzim iz tkiva. Da bi se to postiglo, tkivo se drobi, ćelijske strukture se uništavaju trljanjem zgnječenog tkiva pijeskom ili tretiraju ultrazvukom. U tom slučaju enzimi "ispadaju" iz ćelija i membranskih struktura. Oni se sada pročišćavaju i odvajaju jedno od drugog. Za pročišćavanje se koriste različita sposobnost odvajanja enzima na hromatografskim kolonama, njihova nejednaka pokretljivost u električnom polju, taloženje alkoholom, solima, acetonom i druge metode. Budući da je većina enzima povezana sa jezgrom, mitohondrijama, ribosomima ili drugim subcelularnim strukturama, ova frakcija se prvo izoluje centrifugiranjem, a zatim se enzim ekstrahuje iz nje.

Razvoj novih metoda prečišćavanja omogućio je dobijanje velikog broja kristalnih enzima u vrlo čistom obliku, koji se mogu čuvati godinama.

Sada više nije moguće utvrditi kada su ljudi prvi put koristili enzim, ali se sa velikom sigurnošću može reći da je to bio enzim biljnog porijekla. Ljudi su dugo obraćali pažnju na korisnost biljke, ne samo kao prehrambenog proizvoda. Na primjer, starosjedioci Antila dugo su koristili sok drveta dinje za liječenje čireva i drugih kožnih oboljenja.

Razmotrimo detaljnije osobitosti dobivanja i granu primjene enzima na primjeru jednog od danas poznatih biljnih biokatalizatora - papaina. Ovaj enzim se nalazi u mliječnom soku u svim dijelovima tropske voćke papaje, divovske biljke nalik drvetu koja naraste do 10 m. Njeni plodovi su po obliku i ukusu slični dinji i sadrže veliku količinu enzima papaina. Početkom 16. vijeka. Španski mornari otkrili su ovu biljku prirodno u Centralnoj Americi. Zatim je doveden u Indiju, a odatle u sve tropske zemlje. Vasco da Gama, koji je vidio papaju u Indiji, nazvao ju je zlatnim drvetom života, a Marko Polo je rekao da je papaja "dinja koja se popela na drvo". Mornari su znali da plod drveta spašava od skorbuta i dizenterije.

U našoj zemlji papaja raste na crnomorskoj obali Kavkaza, u botaničkoj bašti Ruske akademije nauka u posebnim staklenicima. Sirovi materijal za enzim - mlečni sok - dobija se iz rezova na kožici ploda. Zatim se sok suši u laboratoriju u vakuumskim pećnicama za sušenje na niskim temperaturama (ne više od 80°C). Osušeni proizvod se melje i čuva u sterilnom pakovanju napunjenom parafinom. Ovo je već prilično aktivan lijek. Njegova enzimska aktivnost može se procijeniti količinom proteina kazeina koji se cijepa u jedinici vremena. Za jednu biološku jedinicu aktivnosti papaina uzima se tolika količina enzima, koja je, kada se unese u krv, dovoljna za pojavu simptoma "visećih ušiju" kod zeca od 1 kg. Ovaj fenomen nastaje jer papain počinje djelovati na vlakna proteina kolagena u ušima zeca.

Papain ima čitav spektar svojstava: proteolitička, protuupalna, antikoagulantna (sprečava zgrušavanje krvi), dehidrirajuća, analgetska i baktericidna. Razlaže proteine ​​na polipeptide i aminokiseline. Štaviše, ovo cijepanje ide dublje nego kod djelovanja drugih enzima životinjskog i bakterijskog porijekla. Karakteristika papaina je njegova sposobnost da bude aktivan u širokom rasponu pH i pri velikim temperaturnim fluktuacijama, što je posebno važno i pogodno za široku upotrebu ovog enzima. A ako još uzmemo u obzir da su krv, jetra, mišići ili druga životinjska tkiva potrebna za dobijanje enzima sličnog papainu (pepsin, tripsin, lidaza), onda su prednost i ekonomska efikasnost biljnog enzima papaina nesumnjive.

Primjena papaina je vrlo raznolika. U medicini se koristi za liječenje rana, gdje pospješuje razgradnju proteina u oštećenim tkivima i čisti površinu rane. Papain je nezamjenjiv u liječenju raznih očnih bolesti. Izaziva resorpciju zamućenih struktura organa vida, čineći ih transparentnim. Poznato je pozitivno dejstvo enzima kod bolesti probavnog sistema. Dobri rezultati su postignuti primenom papaina za lečenje kožnih oboljenja, opekotina, kao i u neuropatologiji, urologiji i drugim granama medicine.

Osim u medicini, velika količina ovog enzima se koristi u proizvodnji vina i pivarstvu. Papain produžava rok trajanja pića. Kada se obradi papainom, meso postaje mekano i brzo probavljivo, a rok trajanja proizvoda se dramatično povećava. Vuna koja ide u tekstilnu industriju se ne uvija i ne skuplja nakon tretiranja papainom. Nedavno je papain počeo da se koristi u industriji kože. Nakon enzimskog tretmana, kožni proizvodi postaju mekani, elastični, jači i izdržljiviji.

Temeljito proučavanje nekih ranije neizlječivih bolesti dovelo je do potrebe da se enzimi koji nedostaju u organizam unesu kako bi se zamijenili oni čija je aktivnost smanjena. U organizam bi bilo moguće unijeti potrebnu količinu nedostajućih enzima ili „dodati“ molekule onih enzima koji su u organu ili tkivu smanjili svoju katalitičku aktivnost. Ali tijelo na te enzime reagira kao na strane proteine, odbacuje ih, razvija antitijela protiv njih, što u konačnici dovodi do brzog propadanja unesenih proteina. Neće biti očekivanog terapeutskog efekta. Enzime je takođe nemoguće unositi hranom, jer će ih probavni sokovi "svariti" i oni će izgubiti aktivnost, razgraditi se do aminokiselina, a da ne dospeju u ćelije i tkiva. Unošenje enzima direktno u krvotok dovodi do njihovog uništenja tkivnim proteazama. Ove poteškoće moguće je otkloniti korištenjem imobiliziranih enzima. Princip imobilizacije zasniva se na sposobnosti enzima da se "vežu" za stabilan nosač organske ili neorganske prirode. Primjer kemijskog vezivanja enzima za matriks (nosač) je stvaranje jakih kovalentnih veza između njihovih funkcionalnih grupa. Matrica može biti, na primjer, porozno staklo koje sadrži funkcionalne amino grupe, za koje je enzim hemijski "vezan".

Kada se koriste enzimi, često je potrebno uporediti njihovu aktivnost. Kako znate koji je enzim aktivniji? Kako izračunati aktivnost različitih prečišćenih preparata? Dogovorili smo se da aktivnost enzima uzima količinu supstrata, koja u jednoj minuti može transformirati 1 g tkiva koje sadrži ovaj enzim na 25°C. Što je enzim više supstrata obradio, to je aktivniji. Aktivnost istog enzima varira u zavisnosti od starosti, pola, doba dana, stanja organizma, a zavisi i od endokrinih žlezda koje proizvode hormone.

Priroda gotovo da ne griješi, proizvodeći iste proteine ​​tijekom cijelog života organizma i prenoseći ove stroge informacije o proizvodnji istih proteina s generacije na generaciju. Međutim, ponekad se u tijelu pojavi izmijenjeni protein koji sadrži jednu ili više "dodatnih" aminokiselina, ili se, obrnuto, izgube. Danas su poznate mnoge takve molekularne greške. Mogu se pripisati različitim razlozima i mogu uzrokovati bolne promjene u tijelu. Takve bolesti, za čiju su pojavu krivi abnormalni proteinski molekuli, u medicini se nazivaju molekularnim. Na primjer, hemoglobin zdrave osobe, koji se sastoji od dva polipeptidna lanca (a i b), i hemoglobin bolesnika sa anemijom srpastih stanica (eritrocit ima oblik srpa) razlikuju se samo po tome što se kod pacijenata u β -lanac, glutaminska kiselina je zamijenjena valinom. Anemija srpastih ćelija je nasledna bolest. Promjene u hemoglobinu se prenose sa roditelja na potomstvo.

Bolesti koje nastaju zbog promjena u aktivnosti enzima nazivaju se fermentopatije. Obično se nasljeđuju, prenose sa roditelja na djecu. Na primjer, kod kongenitalne fenilketonurije, poremećena je sljedeća transformacija:

Uz nedostatak enzima fenilalanin hidroksilaze, fenilalanin se ne pretvara u tirozin, već se akumulira, što dovodi do poremećaja u normalnoj funkciji niza organa, prvenstveno u funkciji centralnog nervnog sistema. Bolest se razvija od prvih dana djetetovog života, a prvi simptomi se javljaju do šestog do sedam mjeseci života. U krvi i urinu takvih pacijenata mogu se naći ogromne količine fenilalanina u usporedbi s normom. Pravovremeno otkrivanje takve patologije i smanjenje unosa te hrane, koja sadrži puno fenilalanina, ima pozitivan terapeutski učinak.

Još jedan primjer: nedostatak enzima kod djece koji pretvara galaktozu u glukozu dovodi do nakupljanja galaktoze u tijelu, koja se nakuplja u velikim količinama u tkivima i pogađa jetru, bubrege i oči. Ako se pravovremeno otkrije nedostatak enzima, dijete se prebacuje na dijetu bez galaktoze. To dovodi do nestanka znakova bolesti.

Zbog postojanja enzimskih preparata dešifruje se struktura proteina i nukleinskih kiselina. Bez njih je nemoguća proizvodnja antibiotika, proizvodnja vina, pečenje i sinteza vitamina. U poljoprivredi se koriste stimulansi rasta koji utiču na aktiviranje enzimskih procesa. Isto svojstvo posjeduju i mnogi lijekovi koji potiskuju ili aktiviraju aktivnost enzima u tijelu.

Bez enzima je nemoguće zamisliti razvoj tako obećavajućih područja kao što je reprodukcija hemijskih procesa koji se odvijaju u ćeliji i stvaranje na osnovu toga moderne industrijske biotehnologije. Do sada nijedna moderna hemijska fabrika nije u stanju da se takmiči sa običnim listom biljke, u čijim se ćelijama sintetiše ogroman broj raznih složenih organskih materija uz učešće enzima i sunčeve svetlosti iz vode i ugljen-dioksida. Istovremeno, kiseonik, koji nam je toliko neophodan za život, ispušta se u atmosferu.

Fermentologija je mlada i perspektivna nauka, odvojena od biologije i hemije i koja obećava mnoga neverovatna otkrića svima koji se odluče da je shvate ozbiljno.

Preuzmi sažetak: Nemate pristup preuzimanju datoteka sa našeg servera.

Digestivni enzimi- To su supstance proteinske prirode, koje se proizvode u gastrointestinalnom traktu. Oni obezbeđuju proces varenja hrane i stimulišu njenu apsorpciju.

Glavna funkcija probavnih enzima je razgradnja složenih supstanci na jednostavnije, koje se lako apsorbiraju u ljudskom crijevu.

Djelovanje proteinskih molekula usmjereno je na sljedeće grupe tvari:

  • proteini i peptidi;
  • oligo- i polisaharidi;
  • masti, lipidi;
  • nukleotidi.

Vrste enzima

  1. Pepsin. Enzim je tvar koja se proizvodi u želucu. Djeluje na proteinske molekule u hrani, razgrađujući ih na njihove elementarne sastojke – aminokiseline.
  2. Tripsin i himotripsin. Ove tvari su dio grupe enzima pankreasa koje proizvodi gušterača i isporučuje se u duodenum. Ovdje djeluju i na proteinske molekule.
  3. Amilaza. Enzim se odnosi na tvari koje razgrađuju šećere (ugljikohidrate). Amilaza se proizvodi u ustima i tankom crijevu. Razgrađuje jedan od glavnih polisaharida - skrob. Rezultat je mali ugljikohidrat koji se zove maltoza.
  4. Maltaza. Enzim djeluje i na ugljikohidrate. Njegov specifični supstrat je maltoza. Razlaže se na 2 molekula glukoze, koje apsorbira crijevna stijenka.
  5. Suharase. Protein utiče na još jedan uobičajeni disaharid, saharozu, koja se nalazi u svakoj hrani bogatoj ugljikohidratima. Ugljikohidrati se razlažu na fruktozu i glukozu, koje tijelo lako apsorbira.
  6. Laktaza. Specifičan enzim koji djeluje na ugljikohidrate iz mlijeka je laktoza. Tokom njegovog raspadanja dobijaju se i drugi proizvodi - glukoza i galaktoza.
  7. Nukleaze. Enzimi iz ove grupe djeluju na nukleinske kiseline - DNK i RNK, koje se nalaze u hrani. Nakon njihovog izlaganja, tvari se raspadaju na zasebne komponente - nukleotide.
  8. Nukleotidaze. Druga grupa enzima koji djeluju na nukleinske kiseline nazivaju se nukleotidaze. Oni razgrađuju nukleotide da bi dobili manje sastojke – nukleozide.
  9. karboksipeptidaza. Enzim djeluje na male proteinske molekule - peptide. Kao rezultat ovog procesa dobijaju se pojedinačne aminokiseline.
  10. Lipaza. Supstanca razgrađuje masti i lipide koji ulaze u probavni sistem. U tom slučaju nastaju njihovi sastavni dijelovi - alkohol, glicerin i masne kiseline.

Nedostatak probavnih enzima

Neadekvatna proizvodnja probavnih enzima je ozbiljan problem koji zahtijeva medicinsku pomoć. Uz malu količinu endogenih enzima, hrana se neće moći normalno probaviti u ljudskom crijevu.

Ako se tvari ne probave, onda se ne mogu apsorbirati u crijevima. Probavni sistem je u stanju da asimiluje samo male fragmente organskih molekula. Velike komponente koje su dio hrane neće moći koristiti ljudima. Kao rezultat, tijelo može razviti nedostatak određenih supstanci.

Nedostatak ugljikohidrata ili masti dovest će do činjenice da će tijelo izgubiti "gorivo" za energičnu aktivnost. Nedostatak proteina lišava ljudsko tijelo građevnog materijala, a to su aminokiseline. Osim toga, probavne smetnje dovode do promjene karaktera stolice, što može negativno utjecati na karakter.

Uzroci

  • upalni procesi u crijevima i želucu;
  • poremećaji u ishrani (prejedanje, nedovoljna toplinska obrada);
  • metaboličke bolesti;
  • pankreatitis i druge bolesti pankreasa;
  • oštećenje jetre i žučnih puteva;
  • kongenitalne patologije enzimskog sistema;
  • postoperativne posljedice (nedostatak enzima zbog uklanjanja dijela probavnog sistema);
  • ljekovito djelovanje na želudac i crijeva;
  • trudnoća;

Simptomi

Dugotrajno očuvanje nedovoljne probave je praćeno pojavom općih simptoma povezanih sa smanjenim unosom hranjivih tvari u organizam. Ova grupa uključuje sljedeće kliničke manifestacije:

  • opšta slabost;
  • smanjene performanse;
  • glavobolja;
  • poremećaji spavanja;
  • povećana razdražljivost;
  • u teškim slučajevima, simptomi anemije zbog nedovoljne apsorpcije željeza.

Višak probavnih enzima

Višak probavnih enzima najčešće se opaža kod bolesti kao što je pankreatitis. Stanje je povezano s prekomjernom proizvodnjom ovih tvari od strane stanica gušterače i kršenjem njihovog izlučivanja u crijeva. S tim u vezi, u tkivu organa razvija se aktivna upala uzrokovana djelovanjem enzima.

Znakovi pankreatitisa mogu uključivati:

  • jak bol u abdomenu;
  • mučnina;
  • nadimanje;
  • kršenje prirode stolice.

Često dolazi do opšteg pogoršanja stanja pacijenta. Pojavljuje se opšta slabost, razdražljivost, tjelesna težina se smanjuje, normalan san je poremećen.

Kako prepoznati abnormalnosti u sintezi probavnih enzima?

Osnovni principi terapije enzimskih poremećaja

Promjena u proizvodnji probavnih enzima razlog je za traženje medicinske pomoći. Nakon sveobuhvatnog pregleda, ljekar će utvrditi uzrok poremećaja i propisati odgovarajući tretman. Ne preporučuje se samostalno boriti se protiv patologije.

Pravilna prehrana je važna komponenta liječenja. Pacijentu se dodjeljuje odgovarajuća dijeta, koja ima za cilj olakšati probavu hrane. Treba izbjegavati prejedanje, jer to izaziva crijevne smetnje. Pacijentima se propisuje terapija lijekovima, uključujući supstitucijsko liječenje.

Konkretna sredstva i njihove doze odabire ljekar.

organske tvari proteinske prirode, koje se sintetiziraju u stanicama i mnogo puta ubrzavaju reakcije koje se u njima odvijaju, a da ne prolaze kroz kemijske transformacije. Supstance koje imaju sličan efekat postoje u neživoj prirodi i nazivaju se katalizatori. Enzimi (od lat. fermentum - fermentacija, kvasac) se ponekad nazivaju enzimi (od grč. en - unutra, zyme - kvasac). Sve žive ćelije sadrže veoma veliki skup enzima, o čijoj katalitičkoj aktivnosti zavisi funkcionisanje ćelija. Gotovo svaka od mnogih različitih reakcija koje se odvijaju u ćeliji zahtijeva učešće određenog enzima. Proučavanje hemijskih svojstava enzima i reakcija koje oni kataliziraju bavi se posebnom, veoma važnom oblasti biohemije - enzimologijom.

Mnogi enzimi su u ćeliji u slobodnom stanju, jednostavno rastvoreni u citoplazmi; drugi su povezani sa složenim, visoko organizovanim strukturama. Postoje i enzimi koji su normalno izvan ćelije; tako, enzime koji katalizuju razgradnju škroba i proteina pankreas luči u crijeva. Izlučuju se enzimi i mnogi mikroorganizmi.

Prvi podaci o enzimima dobijeni su proučavanjem procesa fermentacije i varenja. L. Pasteur je dao veliki doprinos proučavanju fermentacije, ali je vjerovao da samo žive ćelije mogu izvršiti odgovarajuće reakcije. Početkom 20. vijeka. E. Buchner je pokazao da se fermentacija saharoze sa stvaranjem ugljičnog dioksida i etil alkohola može katalizirati ekstraktom kvasca bez ćelija. Ovo važno otkriće potaknulo je izolaciju i proučavanje ćelijskih enzima. Godine 1926, J. Samner sa Univerziteta Cornell (SAD) izolovao je ureazu; bio je to prvi enzim dobijen u gotovo čistom obliku. Od tada je otkriveno i izolovano više od 700 enzima, ali ih je mnogo više u živim organizmima. Identifikacija, izolacija i proučavanje svojstava pojedinačnih enzima su centralni za modernu enzimologiju.

Enzimi uključeni u osnovne procese pretvorbe energije, kao što su razgradnja šećera, stvaranje i hidroliza visokoenergetskog spoja adenozin trifosfata (ATP), prisutni su u svim vrstama stanica – životinjama, biljkama, bakterijama. Međutim, postoje enzimi koji se proizvode samo u tkivima određenih organizama. Dakle, enzimi uključeni u sintezu celuloze nalaze se u biljnim, ali ne i u životinjskim stanicama. Stoga je važno razlikovati "univerzalne" enzime i enzime specifične za određene tipove stanica. Općenito govoreći, što je stanica specijalizovanija, veća je vjerovatnoća da će sintetizirati skup enzima potrebnih za obavljanje određene ćelijske funkcije.

Enzimi i probava. Enzimi su bitni učesnici u procesu probave. Samo jedinjenja male molekularne težine mogu proći kroz crijevni zid i ući u krvotok, stoga se komponente hrane moraju prethodno razgraditi na male molekule. Ovo se dešava tokom enzimske hidrolize (razgradnje) proteina do aminokiselina, skroba do šećera, masti do masnih kiselina i glicerola. Hidrolizu proteina katalizira enzim pepsin koji se nalazi u želucu. Gušterača luči niz visoko efikasnih digestivnih enzima u crijeva. To su tripsin i kimotripsin, koji hidroliziraju proteine; lipaza koja razgrađuje masti; amilaze, koja katalizuje razgradnju skroba. Pepsin, tripsin i himotripsin se luče u neaktivnom obliku, u obliku tzv. zymogeni (enzimi) i postaju aktivni samo u želucu i crijevima. Ovo objašnjava zašto ovi enzimi ne uništavaju ćelije u pankreasu i želucu. Zidovi želuca i crijeva zaštićeni su od probavnih enzima i sloja sluzi. Ćelije u tankom crijevu luče nekoliko važnih probavnih enzima.

Većina energije pohranjene u biljnoj hrani kao što su trava ili sijeno koncentrirana je u celulozi, koju razgrađuje enzim celulaza. U tijelu biljojeda ovaj enzim se ne sintetizira, a preživari, poput goveda i ovaca, mogu jesti hranu koja sadrži celulozu samo zato što celulazu proizvode mikroorganizmi koji naseljavaju prvi dio želuca - burag. Uz pomoć mikroorganizama, hrana se probavlja i u termitima.

Enzimi se koriste u prehrambenoj, farmaceutskoj, hemijskoj i tekstilnoj industriji. Primjer je enzim na biljnoj bazi koji se dobiva iz papaje i koristi se za omekšavanje mesa. Enzimi se takođe dodaju prašcima za pranje veša.

Enzimi u medicini i poljoprivredi. Svijest o ključnoj ulozi enzima u svim ćelijskim procesima dovela je do njihove široke upotrebe u medicini i poljoprivredi. Normalno funkcioniranje bilo kojeg biljnog i životinjskog organizma ovisi o djelotvornom radu enzima. Djelovanje mnogih toksičnih tvari (otrova) temelji se na njihovoj sposobnosti da inhibiraju enzime; brojni lijekovi imaju isti učinak. Često se djelovanje lijeka ili toksične tvari može pratiti njegovim selektivnim djelovanjem na rad određenog enzima u tijelu u cjelini ili u određenom tkivu. Na primjer, snažni organofosfatni insekticidi i nervni plinovi, razvijeni u vojne svrhe, imaju svoje destruktivno djelovanje blokiranjem rada enzima – prvenstveno holinesteraze, koja igra važnu ulogu u prijenosu nervnih impulsa.

Da bismo bolje razumjeli kako lijekovi djeluju na enzimske sisteme, korisno je pogledati kako djeluju neki inhibitori enzima. Mnogi inhibitori se vežu za aktivno mjesto enzima - ono s kojim supstrat u interakciji. Kod takvih inhibitora najvažnije strukturne karakteristike su bliske strukturnim karakteristikama supstrata, a ako su i supstrat i inhibitor prisutni u reakcionom mediju, postoji konkurencija između njih za vezivanje za enzim; što je veća koncentracija supstrata, to se uspješnije takmiči sa inhibitorom. Inhibitori drugog tipa izazivaju konformacijske promjene u molekuli enzima, u koje su uključene funkcionalno važne hemijske grupe. Proučavanje mehanizma djelovanja inhibitora pomaže hemičarima da stvore nove lijekove.

NEKI ENZIMI I NJIHOVE KATALIZOVANE REAKCIJE

Vrsta hemijske reakcije

Enzim

Izvor

Katalizirana reakcija 1)

Hidroliza Tripsin Tanko crijevo Proteini + H 2 O ® Različiti polipeptidi
Hidroliza b-Amilaza Pšenica, ječam, slatki krompir itd. Škrob + H 2 O ® Hidrolizat škroba + Maltoza
Hidroliza Trombin Krv Fibrinogen + H 2 O ® Fibrin + 2 polipeptida
Hidroliza Lipaze Crijeva, visoko masno sjeme, mikroorganizmi Masti + H 2 O ® masne kiseline + glicerin
Hidroliza Alkalna fosfataza Skoro sve ćelije Organski fosfati + H 2 O ® Defosforilirani proizvod + neorganski fosfat
Hidroliza Ureaza Neke biljne ćelije i mikroorganizmi Urea + H 2 O ® Amonijak +Ugljen-dioksid
Fosforoliza fosforilaza Tkiva životinja i biljaka koja sadrže polisaharide Polisaharid (škrob ili glikogen iznmolekuli glukoze) + neorganski fosfat Glukoza-1-fosfat+ Polisaharid ( n – 1jedinice glukoze)
Dekarboksilacija Dekarboksilaza Kvasac, neke biljke i mikroorganizmi Pirogrožđana kiselina ® acetaldehid + ugljični dioksid
Kondenzacija Aldolaza 2 Trioza fosfat Heksoza difosfat
Kondenzacija Oxaloacetate Transacetylase Također Oksalosirćetna kiselina + acetil koenzim ALimunova kiselina+ koenzim A
Izomerizacija Fosfoheksoza izomeraza Također Glukoza-6-fosfat Fruktoza-6-fosfat
Hidratacija Fumaraza Također Fumarna kiselina+ H 2 O Jabučna kiselina
Hidratacija Karboanhidraza Razna životinjska tkiva; zeleno lišće Ugljen-dioksid+ H 2 O Ugljena kiselina
Fosforilacija Piruvat kinaza Gotovo sve (ili sve) ćelije ATP + Pirogrožđana kiselina Phosphoenolpyruvic kiselina + ADP
Transfer fosfatne grupe Fosfoglukomutaza Sve životinjske ćelije; mnoge biljke i mikroorganizme Glukoza-1-fosfat Glukoza-6-fosfat
Reaminacija Transaminaza Većina ćelija Asparaginska kiselina + Pirogrožđana kiselina Oxaloacetickiselina + alanin
Sinteza u kombinaciji sa hidrolizom ATP-a Glutamin sintetaza Također Glutaminska kiselina + amonijak + ATP Glutamin + ADP + Neorganski fosfat
Oksidacija-redukcija Citokrom oksidaza Sve životinjske ćelije, mnoge biljke i mikroorganizmi O 2 + Smanjeni citokrom c ® Oksidirani citokrom c+ H 2 O
Oksidacija-redukcija Oksidaza askorbinske kiseline Mnoge biljne ćelije vitamin C+ O 2 ® Dehidroaskorbinska kiselina + Vodikov peroksid
Oksidacija-redukcija Citokrom c reduktaza Sve životinjske ćelije; mnoge biljke i mikroorganizme IZNAD · H (smanjeni koenzim) + Oksidirani citokromc ® Smanjeni citokromc + NAD (oksidirani koenzim)
Oksidacija-redukcija Laktat dehidrogenaza Većina životinja ljepilo - struja; neke biljke i mikroorganizmi Mliječna kiselina + NAD (oksidirani koenzim) Pyruvic kiselina + NAD · H (oporavljen koenzim)
1) Jedna strelica znači da reakcija zapravo ide u jednom smjeru, a dvostruke strelice znače da je reakcija reverzibilna.

LITERATURA

Försht E. Struktura i mehanizam djelovanja enzima ... M., 1980
Strayer L. Biohemija , tom 1 (str. 104-131), tom 2 (str. 23-94). M., 1984-1985
Murray R., Grenner D., Meyes P., Rodwell W.Ljudska biohemija , t. 1. M., 1993