Reklama na portáli

Ako sa v tele tvoria enzýmy? Ahoj študent. História vedy o enzýmoch

Enzýmy sú špeciálnym typom proteínov, ktorým príroda prisúdila úlohu katalyzátorov rôznych chemických procesov.

Tento termín je neustále počuť, ale nie každý rozumie tomu, čo je enzým alebo enzým, aké funkcie táto látka vykonáva a ako sa enzýmy líšia od enzýmov a či sa vôbec líšia. To všetko sa teraz dozvieme.

Bez týchto látok by ľudia ani zvieratá nedokázali stráviť potravu. A po prvýkrát sa ľudstvo uchýlilo k používaniu enzýmov v každodennom živote pred viac ako 5 000 rokmi, keď sa naši predkovia naučili skladovať mlieko v „pokrmoch“ zo žalúdkov zvierat. V takýchto podmienkach sa mlieko pod vplyvom syridla zmenilo na syr. A to je len jeden príklad toho, ako enzým funguje ako katalyzátor, ktorý urýchľuje biologické procesy. Enzýmy sú dnes v priemysle nepostrádateľné, sú dôležité pri výrobe cukru, margarínov, jogurtov, piva, kože, textilu, liehu a dokonca aj betónu. Tieto prospešné látky sú prítomné aj v pracích prostriedkoch a pracích práškoch – pomáhajú odstraňovať škvrny pri nízkych teplotách.

História objavov

Enzým v preklade z gréčtiny znamená "kysnuté cesto". A ľudstvo vďačí za objav tejto látky Holanďanovi Janovi Baptistovi Van Helmontovi, ktorý žil v 16. storočí. Svojho času sa začal veľmi zaujímať o alkoholové kvasenie a počas štúdia našiel neznámu látku, ktorá tento proces urýchľuje. Holanďan to nazval fermentum, čo znamená kvasenie. Potom, takmer o tri storočia neskôr, Francúz Louis Pasteur, tiež pozorujúci fermentačné procesy, dospel k záveru, že enzýmy nie sú nič iné ako látky živej bunky. A po nejakom čase Nemec Eduard Buchner extrahoval enzým z kvasníc a zistil, že táto látka nie je živý organizmus. Dal mu aj svoje meno – „zimaza“. O niekoľko rokov neskôr ďalší Nemec Willy Kuehne navrhol rozdeliť všetky proteínové katalyzátory do dvoch skupín: enzýmy a enzýmy. Okrem toho navrhol nazvať druhý termín „kysnuté cesto“, ktorého pôsobenie zasahuje mimo živých organizmov. A až rok 1897 ukončil všetky vedecké spory: rozhodlo sa používať oba výrazy (enzým a enzým) ako absolútne synonymá.

Štruktúra: reťazec tisícok aminokyselín

Všetky enzýmy sú proteíny, ale nie všetky proteíny sú enzýmy. Podobne ako iné bielkoviny, aj enzýmy sa skladajú z . A zaujímavé je, že na vytvorenie každého enzýmu je potrebných sto až milión aminokyselín navlečených ako perly na šnúrke. Ale táto niť nie je rovnomerná - zvyčajne je ohnutá stokrát. Tak sa vytvorí trojrozmerná štruktúra jedinečná pre každý enzým. Medzitým je molekula enzýmu pomerne veľká formácia a len malá časť jej štruktúry, takzvané aktívne centrum, sa podieľa na biochemických reakciách.

Každá aminokyselina je spojená so špecifickým typom chemickej väzby a každý enzým má svoju vlastnú jedinečnú sekvenciu aminokyselín. Na vytvorenie väčšiny z nich sa používa asi 20 druhov aminolátok. Dokonca aj malé zmeny v sekvencii aminokyselín môžu dramaticky zmeniť vzhľad a dojem z enzýmu.

Biochemické vlastnosti

Aj keď v prírode dochádza k veľkému množstvu reakcií za účasti enzýmov, všetky sa dajú zoskupiť do 6 kategórií. V súlade s tým každá z týchto šiestich reakcií prebieha pod vplyvom určitého typu enzýmu.

Reakcie zahŕňajúce enzýmy:

  1. Oxidácia a redukcia.

Enzýmy zapojené do týchto reakcií sa nazývajú oxidoreduktázy. Ako príklad si pamätajte, ako alkoholdehydrogenázy premieňajú primárne alkoholy na aldehyd.

  1. Reakcia skupinového prenosu.

Enzýmy zodpovedné za tieto reakcie sa nazývajú transferázy. Majú schopnosť presúvať funkčné skupiny z jednej molekuly do druhej. Stáva sa to napríklad vtedy, keď alanínaminotransferázy presúvajú alfa-aminoskupiny medzi alanínom a aspartátom. Transferázy tiež presúvajú fosfátové skupiny medzi ATP a inými zlúčeninami a vytvárajú disacharidy z glukózových zvyškov.

  1. Hydrolýza.

Hydrolázy zapojené do reakcie sú schopné rozbiť jednoduché väzby pridaním prvkov vody.

  1. Vytvorte alebo odstráňte dvojitú väzbu.

Tento typ reakcie prebieha nehydrolytickým spôsobom za účasti lyázy.

  1. Izomerizácia funkčných skupín.

Pri mnohých chemických reakciách sa poloha funkčnej skupiny v rámci molekuly mení, ale samotná molekula sa skladá z rovnakého počtu a typov atómov ako pred začatím reakcie. Inými slovami, substrátom a produktom reakcie sú izoméry. Tento typ transformácie je možný pod vplyvom izomerázových enzýmov.

  1. Vytvorenie jednoduchej väzby s elimináciou prvku voda.

Hydrolázy rušia väzby pridaním prvkov vody do molekuly. Lyázy vykonávajú reverznú reakciu, pričom vodnú časť odstraňujú z funkčných skupín. Vznikne tak jednoduché spojenie.

Ako fungujú v tele

Enzýmy urýchľujú takmer všetky chemické reakcie, ktoré sa vyskytujú v bunkách. Pre človeka sú životne dôležité, uľahčujú trávenie a urýchľujú metabolizmus.

Niektoré z týchto látok pomáhajú rozkladať molekuly, ktoré sú príliš veľké, na menšie „kúsky“, ktoré telo dokáže stráviť. Iné, naopak, viažu malé molekuly. Ale vedecky povedané, enzýmy sú vysoko selektívne. To znamená, že každá z týchto látok je schopná urýchliť len určitú reakciu. Molekuly, s ktorými enzýmy pracujú, sa nazývajú substráty. Substráty zase vytvárajú väzbu s časťou enzýmu nazývanou aktívne miesto.

Existujú dva princípy, ktoré vysvetľujú špecifiká interakcie enzýmov a substrátov. V takzvanom modeli „key-lock“ zaberá aktívne miesto enzýmu miesto presne definovanej konfigurácie v substráte. Podľa iného modelu obaja účastníci reakcie, aktívne miesto a substrát, menia svoje tvary, aby sa spojili.

Nech je princíp interakcie akýkoľvek, výsledok je vždy rovnaký – reakcia pod vplyvom enzýmu prebieha mnohonásobne rýchlejšie. V dôsledku tejto interakcie sa „narodia“ nové molekuly, ktoré sú potom oddelené od enzýmu. A katalytická látka pokračuje vo svojej práci, ale za účasti iných častíc.

Hyper- a hypoaktivita

Sú chvíle, keď enzýmy vykonávajú svoje funkcie s nesprávnou intenzitou. Nadmerná aktivita spôsobuje nadmernú tvorbu reakčných produktov a nedostatok substrátu. Výsledkom je zlý zdravotný stav a vážne choroby. Príčinou hyperaktivity enzýmu môže byť buď genetická porucha alebo nadbytok vitamínov alebo použitých v reakcii.

Hypoaktivita enzýmov môže dokonca spôsobiť smrť, keď napríklad enzýmy neodstránia toxíny z tela alebo dôjde k nedostatku ATP. Príčinou tohto stavu môžu byť aj zmutované gény alebo naopak hypovitaminóza a nedostatok iných živín. Navyše nižšia telesná teplota podobne spomaľuje fungovanie enzýmov.

Katalyzátor a ďalšie

Dnes môžete často počuť o výhodách enzýmov. Čo sú to však za látky, od ktorých závisí výkonnosť nášho tela?

Enzýmy sú biologické molekuly, ktorých životný cyklus nie je určený hranicami narodenia a smrti. Proste pôsobia v tele, kým sa nerozpustia. Spravidla sa to deje pod vplyvom iných enzýmov.

V priebehu biochemickej reakcie sa nestávajú súčasťou konečného produktu. Keď je reakcia dokončená, enzým opustí substrát. Potom je látka pripravená opäť začať pôsobiť, ale na inej molekule. A tak to ide tak dlho, ako telo potrebuje.

Jedinečnosť enzýmov spočíva v tom, že každý z nich vykonáva iba jednu priradenú funkciu. Biologická reakcia nastáva len vtedy, keď enzým nájde pre ňu správny substrát. Túto interakciu možno porovnať s princípom fungovania kľúča a zámku - iba správne vybrané prvky môžu spolupracovať. Ďalšia vlastnosť: môžu pracovať pri nízkych teplotách a miernom pH a ako katalyzátory sú stabilnejšie ako akékoľvek iné chemikálie.

Enzýmy ako katalyzátory urýchľujú metabolické procesy a iné reakcie.

Tieto procesy spravidla pozostávajú z určitých etáp, z ktorých každá vyžaduje prácu určitého enzýmu. Bez toho nemôže byť cyklus transformácie alebo zrýchlenia dokončený.

Asi najznámejšou zo všetkých funkcií enzýmov je úloha katalyzátora. To znamená, že enzýmy kombinujú chemické činidlá takým spôsobom, aby sa znížili energetické náklady potrebné na rýchlejšie vytvorenie produktu. Bez týchto látok by chemické reakcie prebiehali stokrát pomalšie. Tým sa ale schopnosti enzýmov nekončia. Všetky živé organizmy obsahujú energiu, ktorú potrebujú na pokračovanie života. Adenozíntrifosfát alebo ATP je druh nabitej batérie, ktorá dodáva energiu bunkám. Ale fungovanie ATP je nemožné bez enzýmov. A hlavným enzýmom, ktorý produkuje ATP, je syntáza. Na každú molekulu glukózy, ktorá sa premení na energiu, syntáza produkuje asi 32-34 molekúl ATP.

Okrem toho sa v medicíne aktívne používajú enzýmy (lipáza, amyláza, proteáza). Slúžia najmä ako zložka enzymatických prípravkov, ako sú Festal, Mezim, Panzinorm, Pancreatin, používaných na liečbu tráviacich ťažkostí. Ale niektoré enzýmy môžu ovplyvniť aj obehový systém (rozpúšťať krvné zrazeniny), urýchliť hojenie hnisavých rán. A aj pri protirakovinovej terapii siahajú aj po pomoci enzýmov.

Faktory, ktoré určujú aktivitu enzýmov

Keďže enzým je schopný mnohonásobne urýchliť reakcie, jeho aktivita je určená takzvaným obratovým číslom. Tento pojem označuje počet molekúl substrátu (reaktívnych látok), ktoré dokáže 1 molekula enzýmu premeniť za 1 minútu. Existuje však niekoľko faktorov, ktoré určujú rýchlosť reakcie:

  1. koncentrácia substrátu.

Zvýšenie koncentrácie substrátu vedie k zrýchleniu reakcie. Čím viac molekúl účinnej látky, tým rýchlejšia reakcia prebieha, pretože je zapojených viac aktívnych centier. Urýchlenie je však možné len dovtedy, kým sa nezapoja všetky molekuly enzýmu. Potom ani zvýšenie koncentrácie substrátu nezrýchli reakciu.

  1. Teplota.

Zvyčajne zvýšenie teploty vedie k zrýchleniu reakcií. Toto pravidlo funguje pri väčšine enzymatických reakcií, ale len dovtedy, kým teplota nestúpne nad 40 stupňov Celzia. Po tejto značke sa reakčná rýchlosť naopak začne prudko znižovať. Ak teplota klesne pod kritický bod, rýchlosť enzymatických reakcií sa opäť zvýši. Ak teplota naďalej stúpa, kovalentné väzby sa prerušia a katalytická aktivita enzýmu sa navždy stratí.

  1. Kyslosť.

Rýchlosť enzymatických reakcií ovplyvňuje aj hodnota pH. Každý enzým má svoju optimálnu úroveň kyslosti, pri ktorej reakcia prebieha najefektívnejšie. Zmena úrovne pH ovplyvňuje aktivitu enzýmu, a tým aj rýchlosť reakcie. Ak je zmena príliš veľká, substrát stráca schopnosť viazať sa na aktívne jadro a enzým už nemôže katalyzovať reakciu. S obnovením požadovanej hladiny pH sa obnoví aj aktivita enzýmu.

Enzýmy prítomné v ľudskom tele možno rozdeliť do 2 skupín:

  • metabolické;
  • tráviaci.

Metabolická "práca" na neutralizácii toxických látok a tiež prispieva k produkcii energie a bielkovín. A samozrejme urýchľujú biochemické procesy v tele.

Za čo sú zodpovedné tráviace orgány je jasné už z názvu. Ale aj tu funguje princíp selektivity: určitý druh enzýmu pôsobí len na jeden druh potraviny. Preto sa na zlepšenie trávenia môžete uchýliť k malému triku. Ak telo niečo z potravy nestrávi dobre, potom je potrebné doplniť stravu prípravkom s obsahom enzýmu, ktorý dokáže rozložiť ťažko stráviteľnú potravu.

Potravinárske enzýmy sú katalyzátory, ktoré rozkladajú potravu do stavu, v ktorom je telo schopné z nich absorbovať užitočné látky. Tráviace enzýmy existujú v niekoľkých typoch. V ľudskom tele sa v rôznych častiach tráviaceho traktu nachádzajú rôzne druhy enzýmov.

Ústna dutina

V tomto štádiu pôsobí na potravu alfa-amyláza. Rozkladá sacharidy, škroby a glukózu nachádzajúce sa v zemiakoch, ovocí, zelenine a iných potravinách.

Žalúdok

Tu pepsín štiepi bielkoviny na peptidy a želatináza zase želatínu a kolagén nachádzajúce sa v mäse.

Pankreas

V tejto fáze „pracujte“:

  • trypsín - zodpovedný za rozklad bielkovín;
  • alfa-chymotrypsín - pomáha vstrebávaniu bielkovín;
  • elastáza - štiepi určité typy bielkovín;
  • nukleázy – pomáhajú rozkladať nukleové kyseliny;
  • steapsín - podporuje vstrebávanie tučných jedál;
  • amyláza - zodpovedná za absorpciu škrobov;
  • lipáza – rozkladá tuky (lipidy) nachádzajúce sa v mliečnych výrobkoch, orechoch, olejoch a mäse.

Tenké črevo

Cez častice jedla „vykúzlite“:

  • peptidázy - rozkladajú peptidové zlúčeniny na úroveň aminokyselín;
  • sacharáza - pomáha absorbovať zložité cukry a škroby;
  • maltáza – rozkladá disacharidy do stavu monosacharidov (sladový cukor);
  • laktáza – rozkladá laktózu (glukózu nachádzajúcu sa v mliečnych výrobkoch);
  • lipáza - podporuje vstrebávanie triglyceridov, mastných kyselín;
  • erepsín - ovplyvňuje bielkoviny;
  • izomaltáza – „pracuje“ s maltózou a izomaltózou.

Dvojbodka

Tu sa vykonávajú funkcie enzýmov:

  • coli - zodpovedné za trávenie laktózy;
  • laktobacily – ovplyvňujú laktózu a niektoré ďalšie sacharidy.

Okrem týchto enzýmov existujú aj:

  • diastáza - trávi rastlinný škrob;
  • invertáza – rozkladá sacharózu (stolový cukor);
  • glukoamyláza - premieňa škrob na glukózu;
  • alfa-galaktozidáza - podporuje trávenie fazule, semien, sójových produktov, koreňovej zeleniny a listovej zeleniny;
  • bromelain - enzým odvodený od, podporuje rozklad rôznych typov bielkovín, je účinný pri rôznych úrovniach kyslosti prostredia a má protizápalové vlastnosti;
  • papaín, enzým izolovaný zo surovej papáje, podporuje rozklad malých a veľkých bielkovín a je účinný v širokom rozsahu substrátov a kyslosti.
  • celuláza – rozkladá celulózu, rastlinné vlákna (nenachádzajú sa v ľudskom tele);
  • endoproteáza - štiepi peptidové väzby;
  • extrakt z volskej žlče - enzým živočíšneho pôvodu, stimuluje črevnú motilitu;
    • a iné minerály;
  • xylanáza – rozkladá glukózu z obilnín.

Katalyzátory v produktoch

Enzýmy sú kritické pre zdravie, pretože pomáhajú telu rozkladať zložky potravy do formy, ktorú možno využiť na živiny. Črevá a pankreas produkujú široké spektrum enzýmov. Okrem toho sa však v niektorých produktoch nachádza aj množstvo ich prospešných látok, ktoré podporujú trávenie.

Fermentované potraviny sú takmer dokonalým zdrojom prospešných baktérií potrebných pre správne trávenie. A kým probiotiká z lekárne „fungujú“ len v hornej časti tráviaceho systému a často sa nedostanú do čriev, účinok enzymatických produktov je cítiť v celom gastrointestinálnom trakte.

Napríklad marhule obsahujú zmes prospešných enzýmov vrátane invertázy, ktorá je zodpovedná za rozklad glukózy a podporuje rýchle uvoľňovanie energie.

Avokádo môže slúžiť ako prirodzený zdroj lipázy (podporuje rýchlejšie trávenie lipidov). V tele túto látku produkuje pankreas. Aby ste však tomuto telu uľahčili život, môžete si dopriať napríklad šalát s avokádom – chutný a zdravý.

Okrem toho, že banán je azda najznámejším zdrojom draslíka, dodáva telu aj amylázu a maltázu. Amyláza sa nachádza aj v chlebe, zemiakoch, obilninách. Maltáza pomáha pri rozklade maltózy, takzvaného sladového cukru, ktorý je hojne zastúpený v pive a kukuričnom sirupe.

Ďalšie exotické ovocie – ananás obsahuje celý rad enzýmov vrátane bromelínu. A ten má podľa niektorých štúdií aj protirakovinové a protizápalové vlastnosti.

Extrémofili a priemysel

Extremofily sú látky, ktoré dokážu prežiť v extrémnych podmienkach.

Živé organizmy, ako aj enzýmy, ktoré im umožňujú fungovať, boli nájdené v gejzíroch, kde je teplota blízka bodu varu, hlboko v ľade, ako aj v podmienkach extrémnej slanosti (údolie smrti v USA). Okrem toho vedci našli enzýmy, pre ktoré úroveň pH, ​​ako sa ukázalo, tiež nie je základnou požiadavkou na efektívnu prácu. Výskumníci študujú extrémofilné enzýmy s osobitným záujmom ako látky, ktoré môžu byť široko používané v priemysle. Hoci aj dnes už enzýmy našli svoje uplatnenie v priemysle ako biologicky a ekologicky nezávadné látky. Použitie enzýmov sa uchyľuje v potravinárskom priemysle, kozmeteológii a výrobe chemikálií pre domácnosť.

Okrem toho sú "služby" enzýmov v takýchto prípadoch lacnejšie ako syntetické analógy. Prírodné látky sú navyše biologicky odbúrateľné, vďaka čomu je ich používanie bezpečné pre životné prostredie. V prírode existujú mikroorganizmy, ktoré dokážu rozložiť enzýmy na jednotlivé aminokyseliny, ktoré sa potom stanú zložkami nového biologického reťazca. Ale to je, ako sa hovorí, úplne iný príbeh.

Štruktúra a mechanizmus účinku enzýmov Viaceré formy enzýmov Lekársky význam Praktické využitie Poznámky Literatúra ·

Aktivita enzýmov je určená ich trojrozmernou štruktúrou.

Ako všetky proteíny, aj enzýmy sú syntetizované ako lineárny reťazec aminokyselín, ktorý sa skladá špecifickým spôsobom. Každá aminokyselinová sekvencia sa skladá špecifickým spôsobom a výsledná molekula (proteínová globula) má jedinečné vlastnosti. Niekoľko proteínových reťazcov sa môže spojiť do proteínového komplexu. Terciárna štruktúra proteínov je zničená pri zahrievaní alebo vystavení určitým chemikáliám.

Aktívne miesto enzýmov

Štúdium mechanizmu chemickej reakcie katalyzovanej enzýmom spolu so stanovením medziproduktov a konečných produktov v rôznych štádiách reakcie predpokladá presné poznanie geometrie terciárnej štruktúry enzýmu, povahy funkčného skupiny jeho molekuly, ktoré zaisťujú špecifickosť pôsobenia a vysokú katalytickú aktivitu na tomto substráte, a navyše chemickú povahu miesta (miest) molekuly enzýmu, čo zabezpečuje vysokú rýchlosť katalytickej reakcie. Typicky sú molekuly substrátu zapojené do enzymatických reakcií relatívne malé v porovnaní s molekulami enzýmov. Pri tvorbe komplexov enzým-substrát teda vstupujú do priamej chemickej interakcie len obmedzené fragmenty aminokyselinovej sekvencie polypeptidového reťazca - "aktívne centrum" - jedinečná kombinácia aminokyselinových zvyškov v molekule enzýmu, poskytujúca priamu interakciu s molekulou substrátu a priamou účasťou na akte katalýzy.

V aktívnom centre podmienečne prideľte:

  • katalytické centrum - priamo chemicky interagujúce so substrátom;
  • väzbové centrum (kontaktné alebo "kotvové" miesto) - poskytujúce špecifickú afinitu k substrátu a tvorbu komplexu enzým-substrát.

Na katalyzovanie reakcie sa enzým musí viazať na jeden alebo viacero substrátov. Proteínový reťazec enzýmu je poskladaný tak, že sa na povrchu globule vytvorí medzera alebo priehlbina, kde sa viažu substráty. Táto oblasť sa nazýva väzbové miesto substrátu. Zvyčajne sa zhoduje s aktívnym miestom enzýmu alebo sa nachádza v jeho blízkosti. Niektoré enzýmy obsahujú aj väzbové miesta pre kofaktory alebo ióny kovov.

Enzým sa viaže na substrát:

  • čistí podklad od vodného "kožuchu"
  • usporiada molekuly reagujúceho substrátu v priestore spôsobom potrebným na priebeh reakcie
  • pripravuje na reakciu (napríklad polarizuje) molekuly substrátu.

Zvyčajne k pripojeniu enzýmu k substrátu dochádza v dôsledku iónových alebo vodíkových väzieb, zriedkavo v dôsledku kovalentných väzieb. Na konci reakcie sa jej produkt (alebo produkty) oddelí od enzýmu.

V dôsledku toho enzým znižuje aktivačnú energiu reakcie. Je to preto, že v prítomnosti enzýmu prebieha reakcia inou cestou (v skutočnosti dochádza k inej reakcii), napríklad:

V neprítomnosti enzýmu:

  • A+B = AB

V prítomnosti enzýmu:

  • A+F = AF
  • AF+V = AVF
  • AVF \u003d AV + F

kde A, B - substráty, AB - reakčný produkt, F - enzým.

Enzýmy nedokážu samy poskytnúť energiu pre endergonické reakcie (ktoré si vyžadujú energiu). Preto ich enzýmy, ktoré vykonávajú takéto reakcie, spájajú s exergonickými reakciami, ktoré prebiehajú s uvoľňovaním väčšieho množstva energie. Napríklad reakcie syntézy biopolymérov sú často spojené s reakciou hydrolýzy ATP.

Aktívne centrá niektorých enzýmov sa vyznačujú fenoménom kooperatívnosti.

Špecifickosť

Enzýmy zvyčajne vykazujú vysokú špecifickosť pre svoje substráty (substrátová špecifickosť). To sa dosiahne čiastočnou komplementaritou tvaru, distribúcie náboja a hydrofóbnych oblastí na molekule substrátu a na väzbovom mieste substrátu na enzýme. Enzýmy tiež typicky vykazujú vysoké úrovne stereošpecifickosti (tvoria iba jeden z možných stereoizomérov ako produkt alebo používajú iba jeden stereoizomér ako substrát), regioselektivitu (tvoria alebo prerušujú chemickú väzbu iba v jednej z možných polôh substrátu) a chemoselektivita (katalyzovať len jednu chemickú reakciu).viacerých možných podmienok pre tieto stavy). Napriek všeobecne vysokej úrovni špecifickosti môže byť stupeň substrátovej a reakčnej špecifickosti enzýmov rôzny. Napríklad endopeptidáza trypsín ruší peptidovú väzbu len po arginíne alebo lyzíne, pokiaľ nie sú nasledované prolínom, a pepsín je oveľa menej špecifický a môže prerušiť peptidovú väzbu za mnohými aminokyselinami.

Model so zámkom na kľúč

V roku 1890 Emil Fischer navrhol, že špecifickosť enzýmov je určená presnou zhodou medzi formou enzýmu a substrátom. Tento predpoklad sa nazýva model zámku a kľúča. Enzým sa viaže na substrát za vzniku komplexu enzým-substrát s krátkou životnosťou. Zároveň, napriek tomu, že tento model vysvetľuje vysokú špecifickosť enzýmov, nevysvetľuje fenomén stabilizácie prechodného stavu, ktorý je pozorovaný v praxi.

Model s indukovaným strihom

V roku 1958 Daniel Koshland navrhol modifikáciu modelu s kľúčovým zámkom. Enzýmy vo všeobecnosti nie sú tuhé, ale flexibilné molekuly. Aktívne miesto enzýmu môže zmeniť konformáciu po naviazaní substrátu. Bočné skupiny aminokyselín aktívneho miesta zaujmú polohu, ktorá umožňuje enzýmu vykonávať svoju katalytickú funkciu. V niektorých prípadoch molekula substrátu tiež mení konformáciu po naviazaní na aktívne miesto. Na rozdiel od modelu s kľúčovým zámkom, model indukovaného prispôsobenia vysvetľuje nielen špecifickosť enzýmov, ale aj stabilizáciu prechodného stavu. Tento model sa nazýval „rukavice“.

Úpravy

Mnoho enzýmov prechádza po syntéze proteínového reťazca modifikáciami, bez ktorých enzým nevykazuje svoju aktivitu v plnom rozsahu. Takéto modifikácie sa nazývajú posttranslačné modifikácie (spracovanie). Jedným z najbežnejších typov modifikácií je pridanie chemických skupín k bočným zvyškom polypeptidového reťazca. Napríklad pridanie zvyšku kyseliny fosforečnej sa nazýva fosforylácia a je katalyzované enzýmom kinázou. Mnohé eukaryotické enzýmy sú glykozylované, t.j. modifikované sacharidovými oligomérmi.

Ďalším bežným typom posttranslačných modifikácií je štiepenie polypeptidového reťazca. Napríklad chymotrypsín (proteáza zapojená do trávenia) sa získa odštiepením polypeptidovej oblasti z chymotrypsinogénu. Chymotrypsinogén je neaktívnym prekurzorom chymotrypsínu a je syntetizovaný v pankrease. Neaktívna forma je transportovaná do žalúdka, kde sa premieňa na chymotrypsín. Tento mechanizmus je potrebný, aby sa predišlo štiepeniu pankreasu a iných tkanív predtým, ako enzým vstúpi do žalúdka. Neaktívny prekurzor enzýmu sa tiež označuje ako "zymogén".

Enzýmové kofaktory

Niektoré enzýmy vykonávajú katalytickú funkciu samy o sebe, bez akýchkoľvek ďalších zložiek. Existujú však enzýmy, ktoré na katalýzu vyžadujú neproteínové zložky. Kofaktory môžu byť buď anorganické molekuly (kovové ióny, zhluky železa a síry atď.) alebo organické (napríklad flavín alebo hem). Organické kofaktory, ktoré sú silne spojené s enzýmom, sa tiež nazývajú protetické skupiny. Organické kofaktory, ktoré možno od enzýmu oddeliť, sa nazývajú koenzýmy.

Enzým, ktorý vyžaduje kofaktor, aby vykazoval katalytickú aktivitu, ale nie je naň viazaný, sa nazýva apoenzým. Apoenzým v kombinácii s kofaktorom sa nazýva holoenzým. Väčšina kofaktorov je spojená s enzýmom nekovalentnými, ale skôr silnými interakciami. Existujú tiež prostetické skupiny, ktoré sú kovalentne spojené s enzýmom, ako je tiamínpyrofosfát v pyruvátdehydrogenáze.

Regulácia enzýmov

Niektoré enzýmy majú väzbové miesta s malými molekulami a môžu byť substrátmi alebo produktmi metabolickej dráhy, do ktorej enzým vstupuje. Znižujú alebo zvyšujú aktivitu enzýmu, čo vytvára príležitosť na spätnú väzbu.

Inhibícia konečného produktu

Metabolická dráha – reťaz po sebe idúcich enzymatických reakcií. Často je konečným produktom metabolickej dráhy inhibítor enzýmu, ktorý urýchľuje prvú z reakcií tejto metabolickej dráhy. Ak je konečného produktu príliš veľa, potom pôsobí ako inhibítor pre úplne prvý enzým, a ak sa potom konečný produkt príliš zmenší, potom sa prvý enzým opäť aktivuje. Inhibícia konečným produktom podľa princípu negatívnej spätnej väzby je teda dôležitým spôsobom udržania homeostázy (relatívnej stálosti podmienok vnútorného prostredia tela).

Vplyv podmienok prostredia na aktivitu enzýmov

Aktivita enzýmov závisí od podmienok v bunke alebo organizme – tlak, kyslosť prostredia, teplota, koncentrácia rozpustených solí (iónová sila roztoku) atď.

0

História vedy o enzýmoch

Všetky životné procesy sú založené na tisíckach chemických reakcií. Idú v tele bez použitia vysokej teploty a tlaku, teda v miernych podmienkach. Látky, ktoré sa okysličujú v ľudských a zvieracích bunkách rýchlo a efektívne spaľujú, obohacujú telo o energiu a stavebný materiál. Ale tie isté látky môžu byť skladované roky ako v konzerve (izolovanej od vzduchu), tak aj na vzduchu v prítomnosti kyslíka. Napríklad mäsové a rybie konzervy, pasterizované mlieko, cukor, obilniny sa pri pomerne dlhom skladovaní nerozložia. Schopnosť rýchlo stráviť potraviny v živom organizme je spôsobená prítomnosťou špeciálnych biologických katalyzátorov - enzýmov v bunkách.

Enzýmy sú špecifické proteíny, ktoré sú súčasťou všetkých buniek a tkanív živých organizmov a zohrávajú úlohu biologických katalyzátorov. O enzýmoch ľudia vedia už dlho. Začiatkom minulého storočia v Petrohrade K.S.Kirchhoff zistil, že naklíčený jačmeň je schopný premeniť škrobový polysacharid na disacharid maltózy a kvasnicový extrakt štiepi repný cukor na monosacharidy – glukózu a fruktózu. Boli to prvé štúdie vo fermentológii. A praktická aplikácia enzymatických procesov je známa už od nepamäti. Ide o kvasenie hrozna a kvásku pri príprave chleba, pri výrobe syra a mnoho ďalších.

Teraz sa v rôznych učebniciach, príručkách a vo vedeckej literatúre používajú dva pojmy: „enzýmy“ a „enzýmy“. Tieto názvy sú totožné. Znamenajú to isté – biologické katalyzátory. Prvé slovo je preložené ako "kysnuté cesto", druhé - "v kvásku".

Dlho si nevedeli predstaviť, čo sa v kvásku deje, aká sila v nich prítomná spôsobuje rozpad látok a ich premenu na jednoduchšie. Až vynález mikroskopu zistil, že kvasinky sú nahromadením veľkého množstva mikroorganizmov, ktoré využívajú cukor ako hlavnú živinu. Inými slovami, každá bunka kvasiniek je „naplnená“ enzýmami schopnými štiepiť cukor. Zároveň však boli známe aj iné biologické katalyzátory, ktoré neboli uzavreté v živej bunke, ale voľne „žijúce“ mimo nej. Našli sa napríklad v zložení žalúdočných štiav, bunkových extraktoch. V tejto súvislosti sa v minulosti rozlišovali dva typy katalyzátorov: verilo sa, že samotné enzýmy sú neoddeliteľné od bunky a nemôžu fungovať mimo nej, to znamená, že sú „organizované“. A „dezorganizované“ katalyzátory, ktoré môžu fungovať mimo bunky, sa nazývali enzýmy. Tento protiklad „živých“ a „neživých“ enzýmov bol vysvetlený vplyvom vitalistov, bojom medzi materializmom a idealizmom v prírodných vedách. Názory vedcov sú rozdelené. Zakladateľ mikrobiológie L. Pasteur tvrdil, že aktivita enzýmov je daná životom bunky. Ak je bunka zničená, potom sa zastaví aj pôsobenie enzýmu. Chemici pod vedením J. Liebiga vypracovali čisto chemickú teóriu fermentácie, ktorá dokázala, že aktivita enzýmov nezávisí od existencie bunky.

V roku 1871 ruský lekár M. M. Manasseina zničil bunky kvasiniek tak, že ich potieral riečnym pieskom. Bunková šťava oddelená od zvyškov buniek si zachovala schopnosť fermentovať cukor. Táto jednoduchá a presvedčivá skúsenosť ruského lekára zostala v cárskom Rusku bez náležitej pozornosti. O štvrťstoročie neskôr nemecký vedec E. Buchner získal šťavu bez buniek lisovaním živých kvasníc pod tlakom až 5·10 6 Pa. Táto šťava, podobne ako živé kvasnice, fermentovaný cukor za vzniku alkoholu a oxidu uhoľnatého (IV):

Práce A. N. Lebedeva o štúdiu kvasinkových buniek a práce iných vedcov ukončili vitalistické myšlienky v teórii biologickej katalýzy a termíny „enzým“ a „enzým“ sa začali používať ako ekvivalenty.

V súčasnosti je fermentológia samostatnou vedou. Bolo izolovaných a študovaných asi 2000 enzýmov. K tejto vede prispeli sovietski vedci - naši súčasníci A. E. Braunshtein, V. N. Orekhovich, V. A. Engelgard, A. A. Pokrovsky a ďalší.

Chemická povaha enzýmov

Koncom minulého storočia sa objavil názor, že enzýmy sú bielkoviny alebo niektoré látky veľmi podobné bielkovinám. Strata aktivity enzýmu pri zahrievaní je veľmi podobná tepelnej denaturácii proteínov. Teplotný rozsah počas denaturácie a inaktivácie je rovnaký. Ako je známe, denaturácia bielkovín môže byť spôsobená nielen zahrievaním, ale aj pôsobením kyselín, solí ťažkých kovov, zásad a dlhodobého vystavenia ultrafialovým lúčom. Tie isté chemické a fyzikálne faktory vedú k strate aktivity enzýmov.

V roztokoch sa enzýmy, podobne ako proteíny, správajú pod vplyvom elektrického prúdu podobne: molekuly sa pohybujú smerom ku katóde alebo anóde. Zmena koncentrácie vodíkových iónov v roztokoch proteínov alebo enzýmov vedie k ich akumulácii kladného alebo záporného náboja. To dokazuje amfotérny charakter enzýmov a tiež potvrdzuje ich proteínovú povahu. Ďalším dôkazom proteínovej povahy enzýmov je, že neprechádzajú cez semipermeabilné membrány. To tiež dokazuje ich veľkú molekulovú hmotnosť. Ale ak sú enzýmy proteíny, ich aktivita by sa počas dehydratácie nemala znižovať. Experimenty potvrdzujú správnosť tohto predpokladu.

V laboratóriu IP Pavlova sa uskutočnil zaujímavý experiment. Pri prijímaní žalúdočnej šťavy cez fistulu u psov personál zistil, že čím viac bielkovín v šťave, tým väčšia je jej aktivita, t. j. detekovaný proteín je enzým žalúdočnej šťavy.

Fenomény denaturácie a mobility v elektrickom poli, amfotérny charakter molekúl, ich vysokomolekulárny charakter a schopnosť zrážať sa z roztoku pôsobením činidiel odstraňujúcich vodu (acetón alebo alkohol) teda dokazujú proteínovú povahu enzýmov. .

Dodnes bola táto skutočnosť preukázaná mnohými, ešte subtílnejšími fyzikálnymi, chemickými alebo biologickými metódami.

Už vieme, že proteíny sú svojim zložením veľmi rozdielne a predovšetkým môžu byť jednoduché alebo zložité. Aké druhy proteínov sú v súčasnosti známe enzýmy?

Vedci z rôznych krajín zistili, že mnohé enzýmy sú jednoduché bielkoviny. To znamená, že pri hydrolýze sa molekuly týchto enzýmov rozkladajú iba na aminokyseliny. V hydrolyzáte takýchto enzýmových proteínov nie je možné nájsť nič iné ako aminokyseliny. Medzi jednoduché enzýmy patrí pepsín – enzým, ktorý trávi bielkoviny v žalúdku a je obsiahnutý v žalúdočnej šťave, trypsín – enzým v pankreatickej šťave, papaín – rastlinný enzým, ureáza atď.

Medzi komplexné enzýmy patria okrem aminokyselín aj látky, ktoré majú nebielkovinovú povahu. Napríklad oxidačno-redukčné enzýmy zabudované v mitochondriách obsahujú okrem proteínovej časti aj železo, meď a ďalšie termostabilné skupiny. Neproteínovou časťou enzýmu môžu byť aj zložitejšie látky: vitamíny, nukleotidy (monoméry nukleových kyselín), nukleotidy s tromi zvyškami fosforu atď. proteínová časť apoenzým.

Rozdiel medzi enzýmami a nebiologickými katalyzátormi

V školských učebniciach a príručkách chémie je podrobne rozobraté pôsobenie katalyzátorov, predstava o energetickej bariére, aktivačnej energii. Pripomíname len, že úloha katalyzátorov spočíva v ich schopnosti aktivovať molekuly látok vstupujúcich do reakcie. To vedie k zníženiu aktivačnej energie. Reakcia prebieha nie v jednom, ale v niekoľkých stupňoch s tvorbou medziproduktov. Katalyzátory nemenia smer reakcie, ale ovplyvňujú iba rýchlosť, ktorou sa dosiahne stav chemickej rovnováhy. Katalyzovaná reakcia vždy spotrebuje menej energie ako nekatalyzovaná. Počas reakcie enzým zmení svoj obal, „napne“ sa a na konci reakcie nadobudne svoju pôvodnú štruktúru a vráti sa do pôvodnej formy.

Enzýmy sú rovnaké katalyzátory. Vyznačujú sa všetkými zákonmi katalýzy. Ale enzýmy sú proteíny a to im dáva špeciálne vlastnosti. Čo majú enzýmy spoločné s nám známymi katalyzátormi, napríklad platinou, oxidom vanádu (V) a inými anorganickými urýchľovačmi reakcie, a čím sa líšia?

Rovnaký anorganický katalyzátor možno použiť v rôznych priemyselných odvetviach. A enzým katalyzuje iba jednu reakciu alebo jeden typ reakcie, t.j. je špecifickejší ako anorganický katalyzátor.

Teplota vždy ovplyvňuje rýchlosť chemických reakcií. Väčšina reakcií s anorganickými katalyzátormi prebieha pri veľmi vysokých teplotách. So stúpajúcou teplotou sa rýchlosť reakcie spravidla zvyšuje (obr. 1). Pre enzymatické reakcie je toto zvýšenie obmedzené na určitú teplotu (teplotné optimum). Ďalšie zvýšenie teploty spôsobuje zmeny v molekule enzýmu, čo vedie k zníženiu rýchlosti reakcie (obr. 1). Ale niektoré enzýmy, ako napríklad enzýmy mikroorganizmov, ktoré sa nachádzajú vo vode horúcich prírodných prameňov, nielenže odolávajú teplotám blízkym bodu varu vody, ale dokonca vykazujú svoju maximálnu aktivitu. Pre väčšinu enzýmov je teplotné optimum blízke 35-45 °C. Pri vyšších teplotách ich aktivita klesá a následne dochádza k úplnej tepelnej denaturácii.

Ryža. 1. Vplyv teploty na aktivitu enzýmov: 1 - zvýšenie rýchlosti reakcie, 2 - zníženie rýchlosti reakcie.

Mnohé anorganické katalyzátory vykazujú maximálnu účinnosť v silne kyslom alebo silne zásaditom prostredí. Naproti tomu enzýmy sú aktívne len pri fyziologických hodnotách kyslosti roztoku, len pri takej koncentrácii vodíkových iónov, ktorá je kompatibilná so životom a normálnym fungovaním bunky, orgánu alebo systému.

Reakcie s anorganickými katalyzátormi prebiehajú spravidla pri vysokých tlakoch, zatiaľ čo enzýmy pracujú pri normálnom (atmosférickom) tlaku.

A najprekvapujúcejší rozdiel medzi enzýmom a inými katalyzátormi je v tom, že rýchlosť reakcií katalyzovaných enzýmami je desaťtisíc a niekedy aj miliónkrát vyššia ako rýchlosť, ktorú možno dosiahnuť za účasti anorganických katalyzátorov.

Všetkým známy peroxid vodíka, používaný v každodennom živote ako bieliace a dezinfekčné činidlo, sa pomaly rozkladá bez katalyzátorov:

V prítomnosti anorganického katalyzátora (soli železa) prebieha táto reakcia o niečo rýchlejšie. A kataláza (enzým prítomný takmer vo všetkých bunkách) ničí peroxid vodíka nepredstaviteľnou rýchlosťou: jedna molekula katalázy rozloží viac ako 5 miliónov molekúl H 2 O 2 za jednu minútu.

Univerzálna distribúcia katalázy v bunkách všetkých orgánov aeróbnych organizmov a vysoká aktivita tohto enzýmu sú vysvetlené skutočnosťou, že peroxid vodíka je silný bunkový jed. V bunkách vzniká ako vedľajší produkt mnohých reakcií, no v pozore je enzým kataláza, ktorý peroxid vodíka okamžite rozkladá na neškodný kyslík a vodu.

Aktívne miesto enzýmu

Povinnou fázou katalyzovanej reakcie je interakcia enzýmu s látkou, ktorej premenu katalyzuje - so substrátom: vzniká komplex enzým-substrát. Vo vyššie uvedenom príklade je peroxid vodíka substrátom pre pôsobenie katalázy.

Je zaujímavé, že pri enzymatických reakciách je molekula substrátu mnohonásobne menšia ako molekula proteín-enzým. Substrát teda nemôže prísť do kontaktu s celou obrovskou molekulou enzýmu, ale len s nejakou jeho malou oblasťou alebo dokonca so samostatnou skupinou, atómom. Na potvrdenie tohto predpokladu vedci odštiepili jednu alebo viac aminokyselín z enzýmu, čo malo malý alebo žiadny vplyv na rýchlosť katalyzovanej reakcie. Ale štiepenie určitých špecifických aminokyselín alebo skupín viedlo k úplnej strate katalytických vlastností enzýmu. Tak vznikol koncept aktívneho centra enzýmu.

Aktívne centrum je taká oblasť molekuly proteínu, ktorá zabezpečuje spojenie enzýmu so substrátom a umožňuje ďalšie premeny substrátu. Boli študované niektoré aktívne centrá rôznych enzýmov. Je to buď funkčná skupina (napríklad OH skupina serínu), alebo jedna aminokyselina. Niekedy je potrebných niekoľko aminokyselín v určitom poradí na zabezpečenie katalytického účinku.

V rámci aktívneho centra sa rozlišujú sekcie líšiace sa funkciami. Niektoré časti aktívneho centra poskytujú priľnavosť k podkladu, silný kontakt s ním. Preto sa nazývajú kotviace alebo kontaktné oblasti. Iné plnia vlastnú katalytickú funkciu, aktivujú substrát – katalytické miesta. Takéto podmienené oddelenie aktívneho centra pomáha presnejšie reprezentovať mechanizmus katalytickej reakcie.

Študoval sa aj typ chemickej väzby v komplexoch enzým-substrát. Látka (substrát) je zadržiavaná na enzýme za účasti rôznych typov väzieb: vodíkové mostíky, iónové, kovalentné, donor-akceptorové väzby, van der Waalsove kohézne sily.

Deformácia molekúl enzýmu v roztoku vedie k objaveniu sa jeho izomérov, ktoré sa líšia v terciárnej štruktúre. Inými slovami, enzým orientuje svoje funkčné skupiny zahrnuté v aktívnom centre tak, aby sa prejavila najväčšia katalytická aktivita. Ale molekuly substrátu sa môžu pri interakcii s enzýmom aj deformovať, „napínať“. Tieto moderné predstavy o interakcii enzým-substrát sa líšia od predtým dominantnej teórie E. Fischera, ktorý veril, že molekula substrátu presne zodpovedá aktívnemu miestu enzýmu a pristupuje k nemu ako kľúč k zámku.

Vlastnosti enzýmu

Najdôležitejšou vlastnosťou enzýmov je prednostné zrýchlenie jednej z viacerých teoreticky možných reakcií. To umožňuje substrátom vybrať si z množstva možných ciest reťazce premien, ktoré sú pre organizmus najprospešnejšie.

Enzýmy môžu katalyzovať priame aj spätné reakcie v závislosti od podmienok. Napríklad kyselina pyrohroznová sa vplyvom enzýmu laktátdehydrogenázy mení na konečný produkt fermentácie – kyselinu mliečnu. Ten istý enzým katalyzuje aj reverznú reakciu a svoj názov dostal nie podľa priamej reakcie, ale z reverznej reakcie. Obidve reakcie prebiehajú v tele za rôznych podmienok:

Táto vlastnosť enzýmov má veľký praktický význam.

Ďalšou dôležitou vlastnosťou enzýmov je termolabilita, teda vysoká citlivosť na zmeny teploty. Už sme povedali, že enzýmy sú bielkoviny. U väčšiny z nich vedú teploty nad 70 °C k denaturácii a strate aktivity. Z priebehu chémie je známe, že zvýšenie teploty o 10 ° C vedie k zvýšeniu reakčnej rýchlosti 2-3 krát, čo je tiež charakteristické pre enzymatické reakcie, ale do určitej hranice. Pri teplotách blízkych 0 °C sa rýchlosť enzymatických reakcií spomalí na minimum. Táto vlastnosť je široko využívaná v rôznych odvetviach hospodárstva, najmä v poľnohospodárstve a medicíne. Napríklad všetky v súčasnosti existujúce metódy uchovania obličky pred jej transplantáciou pacientovi zahŕňajú chladenie tohto orgánu, aby sa znížila intenzita biochemických reakcií a predĺžila sa životnosť obličky pred jej transplantáciou človeku. Táto technika zachovala zdravie a zachránila životy desaťtisícom ľudí na svete.

Ryža. 2. Vplyv pH na aktivitu enzýmu.

Jednou z najdôležitejších vlastností enzýmových proteínov je ich citlivosť na reakciu prostredia, koncentráciu vodíkových iónov alebo hydroxidových iónov. Enzýmy sú aktívne len v úzkom rozmedzí kyslosti alebo zásaditosti (pH). Napríklad aktivita pepsínu v dutine žalúdka je maximálna pri pH okolo 1-1,5. Zníženie kyslosti vedie k hlbokému narušeniu tráviaceho traktu, nedostatočnému tráveniu potravy a závažným komplikáciám. Z kurzu biológie viete, že trávenie začína už v ústnej dutine, kde je prítomná slinná amyláza. Optimálna hodnota pH pre ňu je 6,8-7,4. Rôzne enzýmy tráviaceho traktu sa vyznačujú veľkými rozdielmi v optime pH (obr. 2). Zmena reakcie prostredia vedie k zmene nábojov na molekule enzýmu alebo dokonca v jej aktívnom centre, čo spôsobuje zníženie alebo úplnú stratu aktivity.

Ďalšou dôležitou vlastnosťou je špecifickosť pôsobenia enzýmu. Kataláza štiepi iba peroxid vodíka, ureázu - iba močovinu H 2 N-CO-NH 2, t.j. enzým katalyzuje premenu len jedného substrátu, „rozpoznáva“ len jeho molekulu. Táto špecifickosť sa považuje za absolútnu. Ak enzým katalyzuje premenu niekoľkých substrátov, ktoré majú rovnakú funkčnú skupinu, potom sa táto špecifickosť nazýva skupinová špecifickosť. Napríklad fosfatáza katalyzuje elimináciu zvyšku kyseliny fosforečnej:

Druhou špecifickosťou je citlivosť enzýmu len na jeden izomér – stereochemická špecifickosť.

Enzýmy ovplyvňujú rýchlosť premeny rôznych látok. Ale niektoré látky ovplyvňujú aj enzýmy, čím dramaticky menia ich aktivitu. Látky, ktoré zvyšujú aktivitu enzýmov, aktivujú ich, sa nazývajú aktivátory a tie, ktoré ich inhibujú, sa nazývajú inhibítory. Inhibítory môžu nevratne ovplyvniť enzým. Po ich pôsobení nemôže enzým nikdy katalyzovať svoju reakciu, pretože jeho štruktúra sa výrazne zmení. Takto na enzým pôsobia soli ťažkých kovov, kyselín, zásad. Reverzibilný inhibítor sa môže z roztoku odstrániť a enzým znovu získa aktivitu. Takáto reverzibilná inhibícia často prebieha kompetitívnym spôsobom, t.j. substrát a jemu podobný inhibítor súťažia o aktívne miesto. Túto inhibíciu možno odstrániť zvýšením koncentrácie substrátu a vytesnením inhibítora z aktívneho miesta substrátom.

Dôležitou vlastnosťou mnohých enzýmov je, že sa nachádzajú v tkanivách a bunkách v neaktívnej forme (obr. 3). Neaktívna forma enzýmov sa nazýva proenzým. Klasickými príkladmi sú neaktívne formy pepsínu alebo trypsínu. Existencia inaktívnych foriem enzýmov má veľký biologický význam. Ak by sa pepsín alebo trypsín vyrábali okamžite v aktívnej forme, viedlo by to k tomu, že napríklad pepsín „natrávil“ stenu žalúdka, teda žalúdok sa „strávil“ sám. Nestáva sa tak, pretože pepsín alebo trypsín sa aktivujú až po vstupe do dutiny žalúdka alebo tenkého čreva: pôsobením kyseliny chlorovodíkovej obsiahnutej v žalúdočnej šťave sa z pepsínu odštiepi niekoľko aminokyselín a získa schopnosť štiepiť bielkoviny. A samotný žalúdok je teraz chránený pred pôsobením tráviacich enzýmov sliznicou vystielajúcou jeho dutinu.

Ryža. 3 Schéma premeny trypsinogénu na aktívny trypsín: A - trypsinogén; B - trypsín; 1 - miesto odlúčenia peptidu; 2 - vodíkové väzby; 3 - disulfidový mostík; 4 - peptid štiepený počas aktivácie.

Proces aktivácie enzýmu zvyčajne prebieha jednou zo štyroch ciest znázornených na obrázku 4. V prvom prípade odštiepenie peptidu z neaktívneho enzýmu „otvorí“ aktívne centrum a aktivuje enzým.

Ryža. 4 Enzýmové aktivačné dráhy (molekula substrátu je zatienená):

1 - odštiepenie malej plochy (peptidu) z proenzýmu a premena neaktívneho proenzýmu na aktívny enzým; 2 - tvorba disulfidových väzieb z SH-skupín, uvoľnenie aktívneho centra; 3 - vytvorenie proteínového komplexu s kovmi, aktivácia enzýmu; 4 vytvorenie komplexu enzýmu s nejakou látkou (uvoľní sa tým prístup k aktívnemu centru).

Druhým spôsobom je tvorba S-S disulfidových mostíkov, ktoré sprístupňujú aktívne miesto. V treťom prípade prítomnosť kovu aktivuje enzým, ktorý môže fungovať len v kombinácii s týmto kovom. Štvrtá dráha ilustruje aktiváciu nejakou látkou, ktorá sa viaže na periférnu oblasť molekuly proteínu a deformuje enzým takým spôsobom, že uľahčuje prístup substrátu k aktívnemu miestu.

V posledných rokoch bol objavený ďalší spôsob regulácie aktivity enzýmov.Ukázalo sa, že jeden enzým, akým je laktátdehydrogenáza, môže byť vo viacerých molekulárnych formách, ktoré sa od seba líšia, hoci všetky katalyzujú rovnakú reakciu. Takéto rôzne molekuly enzýmov, ktoré katalyzujú rovnakú reakciu, sa nachádzajú dokonca aj vo vnútri tej istej bunky. Nazývajú sa izoenzýmy, teda izoméry enzýmov. Už pomenovaná laktátdehydrogenáza má päť rôznych izoenzýmov. Aká je úloha niekoľkých foriem jedného enzýmu? Zrejme si telo „poisťuje“ niektoré obzvlášť dôležité reakcie, kedy pri zmene podmienok v bunke funguje tá či oná forma izoenzýmu a zabezpečuje potrebnú rýchlosť a smer procesu.

A ešte jedna dôležitá vlastnosť enzýmov. Často fungujú v bunke nie oddelene od seba, ale sú organizované vo forme komplexov - enzýmových systémov (obr. 5): produkt predchádzajúcej reakcie je substrátom pre ďalšiu. Tieto systémy sú zabudované do bunkových membrán a poskytujú rýchlu riadenú oxidáciu látky, „prenášajú“ ju z enzýmu na enzým. Syntetické procesy v bunke prebiehajú v podobných enzýmových systémoch.

Klasifikácia enzýmov

Rozsah otázok, ktoré študuje fermentológia, je široký. Množstvo enzýmov využívaných v zdravotníctve, poľnohospodárstve, mikrobiológii a iných odvetviach vedy a praxe je veľké. To spôsobilo ťažkosti pri charakterizácii enzymatických reakcií, pretože jeden a ten istý enzým môže byť pomenovaný buď podľa substrátu, alebo podľa typu katalyzovaných reakcií, alebo podľa starého termínu, ktorý sa pevne udomácnil v literatúre: napríklad pepsín, trypsín, kataláza.

Ryža. 5. Navrhovaná štruktúra multienzýmového komplexu syntetizujúceho mastné kyseliny (sedem enzýmových podjednotiek je zodpovedných za sedem chemických reakcií).

Preto v roku 1961 Medzinárodný biochemický kongres v Moskve schválil klasifikáciu enzýmov, ktorá je založená na type reakcie katalyzovanej daným enzýmom. Názov enzýmu musí obsahovať názov substrátu, teda zlúčeniny, na ktorú tento enzým pôsobí, a koncovku -ase. Napríklad argináza katalyzuje hydrolýzu arginínu.

Podľa tohto princípu boli všetky enzýmy rozdelené do šiestich tried.

1. Enzýmy oxidoreduktázy, ktoré katalyzujú redoxné reakcie, ako je kataláza:

2. Transferázy - enzýmy, ktoré katalyzujú prenos atómov alebo radikálov, napríklad metyltransferázy, ktoré prenášajú skupinu CH3:

3. Hydrolázy – enzýmy, ktoré štiepia intramolekulárne väzby naviazaním molekúl vody, ako je fosfatáza:

4. Lyázy - enzýmy, ktoré odštiepia jednu alebo druhú skupinu zo substrátu bez pridania vody, nehydrolytickým spôsobom, napríklad odštiepenie karboxylovej skupiny dekarboxylázou:

5. Izomerázy – enzýmy, ktoré katalyzujú premenu jedného izoméru na iný:

Glukóza-6-fosfát->glukóza-1-fosfát

6. Enzýmy, ktoré katalyzujú syntézne reakcie, ako je syntéza peptidov z aminokyselín. Táto trieda enzýmov sa nazýva syntetázy.

Každý enzým bol navrhnutý tak, aby bol kódovaný štvormiestnym kódom, kde prvé z nich označuje číslo triedy a zvyšné tri podrobnejšie charakterizujú vlastnosti enzýmu, jeho podtriedu a individuálne katalógové číslo.

Ako príklad klasifikácie enzýmov uvádzame štvormiestny kód priradený pepsínu - 3,4,4L. Číslo 3 označuje triedu enzýmu - hydrolázu. Ďalšie číslo 4 kóduje podtriedu peptidových hydroláz, t.j. tých enzýmov, ktoré presne hydrolyzujú peptidové väzby. Ďalšie 4 označujú podtriedu nazývanú peptidylpeptidové hydrolázy. Táto podtrieda už zahŕňa jednotlivé enzýmy a prvý v nej je pepsín, ktorý má priradené poradové číslo 1.

Takto dopadne jeho kód - 3.4.4.1. Miesta pôsobenia enzýmov triedy hydroláz sú znázornené na obrázku 6.

Ryža. 6. Štiepenie peptidových väzieb rôznymi proteolytickými enzýmami.

Pôsobenie enzýmov

Typicky sa enzýmy izolujú z rôznych predmetov živočíšneho, rastlinného alebo mikrobiálneho pôvodu a študuje sa ich pôsobenie mimo bunky a tela. Tieto štúdie sú veľmi dôležité pre pochopenie mechanizmu účinku enzýmov, štúdium ich zloženia a charakteristiky reakcií, ktoré katalyzujú. Ale takto získané informácie nie je možné mechanicky priamo preniesť na aktivitu enzýmov v živej bunke. Mimo bunky je ťažké reprodukovať podmienky, za ktorých enzým funguje, napríklad v mitochondriách alebo lyzozómoch. Okrem toho nie je vždy známe, koľko z dostupných molekúl enzýmu sa podieľa na reakcii - všetky alebo len niektoré z nich.

Takmer vždy sa ukáže, že bunka obsahuje jeden alebo druhý enzým, ktorého obsah je niekoľko desiatok krát väčší ako množstvo potrebné pre normálny metabolizmus. Metabolizmus je v rôznych obdobiach života bunky rôzny v intenzite, no enzýmov je v ňom oveľa viac, ako by si vyžadovala najvyššia úroveň metabolizmu. Napríklad zloženie buniek srdcového svalu obsahuje toľko cytochrómu c, ktorý by mohol vykonávať oxidáciu, 20-krát viac, ako je maximálna spotreba kyslíka srdcového svalu. Neskôr boli objavené látky, ktoré dokážu „vypnúť“ niektoré molekuly enzýmov. Ide o takzvané inhibičné faktory. Pre pochopenie mechanizmu účinku enzýmov je tiež dôležité, že v bunke nie sú len v roztoku, ale sú zabudované do štruktúry bunky. Teraz je známe, ktoré enzýmy sú zabudované do vonkajšej membrány mitochondrií, ktoré sú zabudované do vnútornej a ktoré sú spojené s jadrom, lyzozómami a inými subcelulárnymi štruktúrami.

Blízke „teritoriálne“ umiestnenie enzýmu katalyzujúceho prvú reakciu k enzýmom katalyzujúcim druhú, tretiu a nasledujúce reakcie silne ovplyvňuje celkový výsledok ich pôsobenia. Napríklad reťazec enzýmov, ktoré prenášajú elektróny na kyslík, je zabudovaný do mitochondrií - cytochrómového systému. Katalyzuje oxidáciu substrátov za vzniku energie, ktorá je uložená v ATP.

Pri extrakcii enzýmov z bunky je narušená súdržnosť ich spoločnej práce. Preto sa snažia študovať prácu enzýmov bez toho, aby zničili štruktúry, v ktorých sú postavené ich molekuly. Napríklad, ak je tkanivový rez ponechaný v substrátovom roztoku a potom ošetrený činidlom, ktoré poskytuje farebný komplex s reakčnými produktmi, potom budú zafarbené oblasti bunky jasne viditeľné v mikroskope: v týchto oblastiach bude enzým bola lokalizovaná (umiestnená), ktorá štiepila substrát. Tak sa zistilo, ktoré bunky žalúdka obsahujú pepsinogén, z ktorého sa získava enzým pepsín.

Teraz sa široko používa iná metóda, ktorá vám umožňuje určiť lokalizáciu enzýmov - separačná centrifugácia. Na tento účel sa skúmané tkanivo (napríklad kúsky pečene laboratórnych zvierat) rozdrví a potom sa z neho pripraví kaša v roztoku sacharózy. Zmes sa prenesie do skúmaviek a rotuje pri vysokých rýchlostiach v odstredivkách. Rôzne bunkové prvky, v závislosti od ich hmotnosti a veľkosti, sú v hustom roztoku sacharózy počas rotácie rozdelené približne takto:

Na získanie ťažkých jadier je potrebné relatívne malé zrýchlenie (nižší počet otáčok). Po oddelení jadier sa zvýšením počtu otáčok postupne vyzrážajú mitochondrie a mikrozómy a získa sa cytoplazma. Teraz je možné študovať aktivitu enzýmov v každej z izolovaných frakcií. Ukazuje sa, že väčšina známych enzýmov je lokalizovaná prevažne v jednej alebo druhej frakcii. Napríklad enzým aldoláza je lokalizovaný v cytoplazme a enzým, ktorý oxiduje kyselinu kaprónovú, sa nachádza hlavne v mitochondriách.

Ak je membrána, do ktorej sú enzýmy zapustené, poškodená, nenastávajú zložité navzájom súvisiace procesy, t.j. každý enzým môže pôsobiť len sám o sebe.

Rastlinné bunky a bunky mikroorganizmov, podobne ako bunky zvierat, obsahujú veľmi podobné bunkové frakcie. Napríklad rastlinné plastidy pripomínajú mitochondrie, pokiaľ ide o sadu enzýmov. Mikroorganizmy obsahujú zrná, ktoré sa podobajú na ribozómy a tiež obsahujú veľké množstvo ribonukleovej kyseliny. Podobný účinok majú aj enzýmy, ktoré sú súčasťou živočíšnych, rastlinných a mikrobiálnych buniek. Hyaluronidáza napríklad uľahčuje mikróbom vstup do tela, čím prispieva k deštrukcii bunkovej steny. Rovnaký enzým sa nachádza v rôznych tkanivách živočíšnych organizmov.

Získavanie a používanie enzýmov

Enzýmy sa nachádzajú vo všetkých tkanivách zvierat a rastlín. Množstvo rovnakého enzýmu v rôznych tkanivách a sila väzby medzi enzýmom a tkanivom však nie sú rovnaké. Preto v praxi nie je jeho príjem vždy opodstatnený.

Zdrojom enzýmov môžu byť tráviace šťavy ľudí a zvierat. V šťavách je pomerne málo cudzích nečistôt, bunkových prvkov a iných zložiek, ktoré je potrebné pri získavaní čistej drogy zlikvidovať. Sú to takmer čisté roztoky enzýmov.

Je ťažšie získať enzým z tkanív. K tomu sa tkanivo rozdrví, bunkové štruktúry sa zničia trením rozdrveného tkaniva pieskom alebo sa ošetria ultrazvukom. Zároveň enzýmy „vypadávajú“ z buniek a membránových štruktúr. Teraz sú očistené a oddelené od seba. Na čistenie sa využíva rozdielna schopnosť enzýmov oddeľovať sa na chromatografických kolónach, ich nerovnaká pohyblivosť v elektrickom poli, zrážanie alkoholom, soľami, acetónom a ďalšie metódy. Pretože väčšina enzýmov je spojená s jadrom, mitochondriami, ribozómami alebo inými subcelulárnymi štruktúrami, táto frakcia sa najskôr izoluje centrifugáciou a potom sa z nej extrahuje enzým.

Vývoj nových metód čistenia umožnil získať množstvo kryštalických enzýmov vo veľmi čistej forme, ktorú je možné skladovať roky.

Už nie je možné určiť, kedy ľudia prvýkrát použili tento enzým, ale s veľkou istotou možno konštatovať, že išlo o enzým rastlinného pôvodu. Ľudia už dlho venujú pozornosť užitočnosti konkrétnej rastliny, a to nielen ako potravinového produktu. Napríklad domorodci z Antíl oddávna používali šťavu z melónového stromu na liečbu vredov a iných kožných ochorení.

Pozrime sa podrobnejšie na vlastnosti výroby a aplikácie enzýmov na príklade jedného z dnes dobre známych rastlinných biokatalyzátorov - papaínu. Tento enzým sa nachádza v mliečnej šťave vo všetkých častiach tropického ovocného stromu papáje - obrej stromovej trávy, ktorá dosahuje 10 m. Jej plody sú tvarom a chuťou podobné melónom a obsahujú veľké množstvo enzýmu papaín. Už začiatkom 16. stor. Španielski moreplavci objavili túto rastlinu v prírodných podmienkach Strednej Ameriky. Potom ho priviezli do Indie a odtiaľ do všetkých tropických krajín. Vasco da Gama, ktorý videl papája v Indii, ju nazval zlatým stromom života a Marco Polo povedal, že papája je „melón, ktorý vyliezol na strom“. Námorníci vedeli, že plody stromu zachránili pred skorbutom a úplavicou.

U nás papája rastie na pobreží Čierneho mora na Kaukaze, v botanickej záhrade Ruskej akadémie vied v špeciálnych skleníkoch. Surovina pre enzým – mliečna šťava – sa získava z rezov na šupke ovocia. Potom sa šťava suší v laboratóriu vo vákuových sušiarňach pri nízkych teplotách (nie viac ako 80 °C). Vysušený produkt sa trituruje a skladuje v sterilnom obale naplnenom parafínom. Toto je už dosť aktívna droga. Jeho enzymatickú aktivitu možno odhadnúť podľa množstva kazeínového proteínu rozdeleného za jednotku času. Na jednu biologickú jednotku aktivity papaínu sa odoberie také množstvo enzýmu, ktoré po zavedení do krvi postačuje na to, aby sa u králika s hmotnosťou 1 kg objavil symptóm „visiacich uší“. K tomuto javu dochádza, pretože papaín začína pôsobiť na kolagénové proteínové vlákna v ušiach králika.

Papaín má celý rad vlastností: proteolytické, protizápalové, antikoagulačné (zabraňujúce zrážaniu krvi), dehydratačné, analgetické a baktericídne. Rozkladá bielkoviny na polypeptidy a aminokyseliny. Navyše toto štiepenie ide hlbšie ako pri pôsobení iných enzýmov živočíšneho a bakteriálneho pôvodu. Charakteristickým rysom papaínu je jeho schopnosť byť aktívny v širokom rozsahu pH a pri veľkých teplotných výkyvoch, čo je obzvlášť dôležité a vhodné pre široké použitie tohto enzýmu. A ak vezmeme do úvahy aj to, že na získanie enzýmov podobných účinku papaínu (pepsín, trypsín, lidáza) je potrebná krv, pečeň, svaly alebo iné živočíšne tkanivá, potom výhoda a ekonomická efektívnosť rastlinného enzýmu papaínu sú nepopierateľné.

Oblasti použitia papaínu sú veľmi rôznorodé. V medicíne sa používa na liečbu rán, kde podporuje rozklad bielkovín v poškodených tkanivách a čistí povrch rany. Papaín je nenahraditeľný pri liečbe rôznych očných ochorení. Spôsobuje resorpciu zakalených štruktúr zrakového orgánu a robí ich transparentnými. Známy je pozitívny účinok enzýmu pri ochoreniach tráviaceho systému. Dobré výsledky sa dosiahli pri použití papaínu pri liečbe kožných ochorení, popálenín, ako aj v neuropatológii, urológii a iných odvetviach medicíny.

Okrem medicíny sa veľké množstvo tohto enzýmu spotrebuje pri výrobe vína a pivovarníctve. Papaín zvyšuje trvanlivosť nápojov. Pri spracovaní s papaínom sa mäso stáva mäkkým a rýchlo stráviteľným, trvanlivosť produktov sa dramaticky zvyšuje. Vlna, ktorá ide do textilného priemyslu, sa nekrúti a nie je sprevádzaná zrážaním po úprave papainom. V poslednej dobe sa papaín používa v kožiarskom priemysle. Kožené výrobky sú po ošetrení enzýmami mäkké, elastické, pevnejšie a odolnejšie.

Starostlivé štúdium niektorých predtým neliečiteľných chorôb viedlo k potrebe zaviesť do tela chýbajúce enzýmy, ktoré by nahradili tie, ktorých aktivita je znížená. Do tela by bolo možné zaviesť potrebné množstvo chýbajúcich enzýmov alebo „doplniť“ molekuly tých enzýmov, ktoré majú zníženú katalytickú aktivitu v orgáne alebo tkanive. Ale telo na tieto enzýmy reaguje, akoby to boli cudzie proteíny, odmieta ich, vytvára proti nim protilátky, čo v konečnom dôsledku vedie k rýchlemu rozkladu zavedených proteínov. Očakávaný terapeutický účinok nebude. Je tiež nemožné zavádzať enzýmy s jedlom, pretože tráviace šťavy ich „strávia“ a stratia svoju aktivitu, rozložia sa na aminokyseliny skôr, ako sa dostanú do buniek a tkanív. Zavedenie enzýmov priamo do krvného obehu vedie k ich zničeniu tkanivovými proteázami. Tieto ťažkosti je možné odstrániť použitím imobilizovaných enzýmov. Princíp imobilizácie je založený na schopnosti enzýmov „naviazať“ sa na stabilný nosič organickej alebo anorganickej povahy. Príkladom chemickej väzby enzýmu na matricu (nosič) je tvorba silných kovalentných väzieb medzi ich funkčnými skupinami. Matricou môže byť napríklad porézne sklo obsahujúce funkčné aminoskupiny, na ktoré je enzým chemicky „naviazaný“.

Pri použití enzýmov je často potrebné porovnávať ich aktivity. Ako zistiť aktívnejší enzým? Ako vypočítať aktivitu rôznych purifikovaných prípravkov? Dohodli sme sa, že množstvo substrátu budeme brať ako aktivitu enzýmu, ktorý dokáže za jednu minútu premeniť 1 g tkaniva obsahujúceho tento enzým pri 25 °C. Čím viac substrátu enzým spracuje, tým je aktívnejší. Aktivita toho istého enzýmu sa mení v závislosti od veku, pohlavia, dennej doby, stavu tela a závisí aj od endokrinných žliaz, ktoré produkujú hormóny.

Príroda sa takmer nikdy nemýli v tom, že produkuje rovnaké bielkoviny počas celého života organizmu a tieto prísne informácie o produkcii tých istých bielkovín odovzdáva z generácie na generáciu. Niekedy sa však v tele objaví pozmenená bielkovina, v ktorej sa jedna alebo viacero „extra“ aminokyselín vyskytuje, alebo naopak stráca. V súčasnosti je známych veľa takýchto molekulárnych chýb. Vznikajú z rôznych dôvodov a môžu spôsobiť bolestivé zmeny v tele. Takéto choroby, ktoré sú spôsobené abnormálnymi molekulami proteínov, sa v medicíne nazývajú molekulárne choroby. Napríklad hemoglobín zdravého človeka pozostávajúci z dvoch polypeptidových reťazcov (a a b) a hemoglobín pacienta s kosáčikovitou anémiou (erytrocyt má tvar kosáčika) sa líšia len tým, že u pacientov v β- reťazec, kyselina glutámová je nahradená valínom. Kosáčikovitá anémia je dedičné ochorenie. Zmeny hemoglobínu sa prenášajú z rodičov na potomkov.

Ochorenia, ktoré vznikajú pri zmene aktivity enzýmov, sa nazývajú fermentopatie. Väčšinou sa dedia, prenášajú sa z rodičov na deti. Napríklad pri vrodenej fenylketonúrii je narušená nasledujúca transformácia:

Pri nedostatku enzýmu fenylalanínhydroxylázy sa fenylalanín nemení na tyrozín, ale hromadí sa, čo spôsobuje poruchu normálnej funkcie mnohých orgánov, predovšetkým poruchu funkcie centrálneho nervového systému. Choroba sa vyvíja od prvých dní života dieťaťa a do šiestich až siedmich mesiacov života sa objavia prvé príznaky. V krvi a moči takýchto pacientov možno nájsť obrovské množstvo fenylalanínu v porovnaní s normou. Včasná detekcia takejto patológie a zníženie príjmu potravy, ktorá obsahuje veľa fenylalanínu, má pozitívny terapeutický účinok.

Ďalší príklad: nedostatok enzýmu u detí, ktorý premieňa galaktózu na glukózu, vedie k hromadeniu galaktózy v tele, ktorá sa vo veľkom množstve hromadí v tkanivách a ovplyvňuje pečeň, obličky a oči. Ak sa absencia enzýmu zistí včas, potom sa dieťa prenesie na stravu, ktorá neobsahuje galaktózu. To vedie k vymiznutiu príznakov ochorenia.

Vďaka existencii enzýmových prípravkov je dešifrovaná štruktúra bielkovín a nukleových kyselín. Bez nich nie je možná výroba antibiotík, výroba vína, pečenie a syntéza vitamínov. V poľnohospodárstve sa využívajú rastové stimulanty, ktoré majú vplyv na aktiváciu enzymatických procesov. Rovnakú vlastnosť má mnoho liekov, ktoré potláčajú alebo aktivujú aktivitu enzýmov v tele.

Bez enzýmov si nemožno predstaviť rozvoj takých perspektívnych oblastí, ako je reprodukcia chemických procesov prebiehajúcich v bunke a vytvorenie modernej priemyselnej biotechnológie na tomto základe. Zatiaľ ani jedna moderná chemická továreň nedokáže konkurovať obyčajným rastlinným listom, v ktorých bunkách sa za účasti enzýmov a slnečného žiarenia z vody a oxidu uhličitého syntetizuje obrovské množstvo rôznych zložitých organických látok. Zároveň sa do atmosféry uvoľňuje vo veľkom množstve kyslík, ktorý je pre nás taký potrebný k životu.

Fermentológia je mladá a perspektívna veda, ktorá sa oddelila od biológie a chémie a sľubuje veľa úžasných objavov každému, kto sa ju rozhodne brať vážne.

Stiahnite si abstrakt: Nemáte prístup k sťahovaniu súborov z nášho servera.

Tráviace enzýmy- Ide o látky bielkovinovej povahy, ktoré vznikajú v gastrointestinálnom trakte. Poskytujú proces trávenia potravy a stimulujú jej asimiláciu.

Hlavnou funkciou tráviacich enzýmov je rozklad zložitých látok na jednoduchšie, ktoré sa ľahko vstrebávajú v ľudskom čreve.

Pôsobenie proteínových molekúl je zamerané na tieto skupiny látok:

  • proteíny a peptidy;
  • oligo- a polysacharidy;
  • tuky, lipidy;
  • nukleotidy.

Druhy enzýmov

  1. pepsín. Enzým je látka, ktorá sa tvorí v žalúdku. Pôsobí na molekuly bielkovín v zložení potravy, pričom ich rozkladá na elementárne zložky – aminokyseliny.
  2. Trypsín a chymotrypsín. Tieto látky sú súčasťou skupiny pankreatických enzýmov, ktoré produkuje pankreas a dodávajú sa do dvanástnika. Tu pôsobia aj na molekuly bielkovín.
  3. Amylase. Enzýmom sa označujú látky, ktoré rozkladajú cukry (sacharidy). Amyláza sa tvorí v ústach a v tenkom čreve. Rozkladá jeden z hlavných polysacharidov – škrob. Výsledkom je malý sacharid nazývaný maltóza.
  4. maltáza. Enzým pôsobí aj na sacharidy. Jeho špecifickým substrátom je maltóza. Rozkladá sa na 2 molekuly glukózy, ktoré sú absorbované črevnou stenou.
  5. sacharóza. Proteín pôsobí na ďalší bežný disacharid, sacharózu, ktorá sa nachádza v akejkoľvek potravine s vysokým obsahom sacharidov. Sacharidy sa rozkladajú na fruktózu a glukózu, ktoré telo ľahko absorbuje.
  6. Laktáza.Špecifický enzým, ktorý pôsobí na sacharid z mlieka, je laktóza. Keď sa rozkladá, získavajú sa ďalšie produkty - glukóza a galaktóza.
  7. Nukleázy. Enzýmy z tejto skupiny pôsobia na nukleové kyseliny – DNA a RNA, ktoré sa nachádzajú v potravinách. Látky sa po ich dopade rozložia na samostatné zložky – nukleotidy.
  8. Nukleotidáza. Druhá skupina enzýmov, ktoré pôsobia na nukleové kyseliny, sa nazývajú nukleotidázy. Rozkladajú nukleotidy na menšie zložky – nukleozidy.
  9. Karboxypeptidáza. Enzým pôsobí na malé molekuly bielkovín – peptidy. Výsledkom tohto procesu sú jednotlivé aminokyseliny.
  10. lipáza. Látka rozkladá tuky a lipidy vstupujúce do tráviaceho systému. V tomto prípade sa tvoria ich zložky - alkohol, glycerín a mastné kyseliny.

Nedostatok tráviacich enzýmov

Nedostatočná produkcia tráviacich enzýmov je vážny problém, ktorý si vyžaduje lekársku starostlivosť. S malým množstvom endogénnych enzýmov sa jedlo nemôže normálne stráviť v ľudskom čreve.

Ak látky nie sú trávené, potom sa nemôžu absorbovať v črevách. Tráviaci systém je schopný asimilovať len malé fragmenty organických molekúl. Veľké zložky, ktoré sú súčasťou potravín, nebudú môcť byť pre človeka prínosom. V dôsledku toho môže telo vyvinúť nedostatok určitých látok.

Nedostatok uhľohydrátov alebo tukov povedie k tomu, že telo stratí „palivo“ na výdatnú aktivitu. Nedostatok bielkovín oberá ľudské telo o stavebný materiál, ktorým sú aminokyseliny. Okrem toho poruchy trávenia vedú k zmene charakteru výkalov, čo môže nepriaznivo ovplyvniť charakter.

Príčiny

  • zápalové procesy v črevách a žalúdku;
  • poruchy príjmu potravy (prejedanie sa, nedostatočná tepelná úprava);
  • metabolické ochorenia;
  • pankreatitída a iné ochorenia pankreasu;
  • poškodenie pečene a žlčových ciest;
  • vrodené patológie enzýmového systému;
  • pooperačné následky (nedostatočnosť enzýmov v dôsledku odstránenia časti tráviaceho systému);
  • liečivé účinky na žalúdok a črevá;
  • tehotenstvo;

Symptómy

Dlhodobé uchovávanie nedostatočnosti trávenia je sprevádzané objavením sa celkových príznakov spojených so zníženým príjmom živín v organizme. Táto skupina zahŕňa nasledujúce klinické prejavy:

  • všeobecná slabosť;
  • zníženie pracovnej kapacity;
  • bolesť hlavy;
  • poruchy spánku;
  • zvýšená podráždenosť;
  • v závažných prípadoch príznaky anémie v dôsledku nedostatočného vstrebávania železa.

Nadbytok tráviacich enzýmov

Nadbytok tráviacich enzýmov sa najčastejšie vyskytuje pri stavoch, ako je pankreatitída. Tento stav je spojený s hyperprodukciou týchto látok bunkami pankreasu a porušením ich vylučovania do čreva. V tomto ohľade sa v tkanive orgánu vyvíja aktívny zápal spôsobený pôsobením enzýmov.

Príznaky pankreatitídy môžu zahŕňať:

  • silná bolesť v bruchu;
  • nevoľnosť;
  • nadúvanie;
  • porušenie povahy stoličky.

Často sa vyvinie všeobecné zhoršenie stavu pacienta. Objavuje sa všeobecná slabosť, podráždenosť, telesná hmotnosť klesá, normálny spánok je narušený.

Ako zistiť porušenie syntézy tráviacich enzýmov?

Základné princípy terapie enzýmových porúch

Zmena tvorby tráviacich enzýmov je dôvodom na návštevu lekára. Po komplexnom vyšetrení lekár určí príčinu porušení a predpíše vhodnú liečbu. Neodporúča sa riešiť patológiu na vlastnú päsť.

Dôležitou súčasťou liečby je správna výživa. Pacientovi je predpísaná vhodná strava, ktorá je zameraná na uľahčenie trávenia potravy. Treba sa vyhnúť prejedaniu, pretože to vyvoláva črevné poruchy. Pacientom je predpísaná medikamentózna liečba vrátane substitučnej liečby.

Špecifické prostriedky a ich dávkovanie vyberá lekár.

organické látky bielkovinovej povahy, ktoré sa syntetizujú v bunkách a mnohokrát urýchľujú reakcie v nich prebiehajúce bez toho, aby prešli chemickými transformáciami. Látky, ktoré majú podobný účinok, existujú v neživej prírode a nazývajú sa katalyzátory. Enzýmy (z lat. fermentum- fermentácia, kysnuté cesto) sa niekedy nazývajú enzýmy (z gréc. sk - vnútri, zyme - kvások). Všetky živé bunky obsahujú veľmi veľký súbor enzýmov, od katalytickej aktivity ktorých závisí fungovanie buniek. Takmer každá z mnohých rôznych reakcií, ktoré sa vyskytujú v bunke, vyžaduje účasť špecifického enzýmu. Štúdium chemických vlastností enzýmov a reakcií, ktoré katalyzujú, je špeciálna, veľmi dôležitá oblasť biochémie - enzymológia.

Mnohé enzýmy sú v bunke vo voľnom stave, sú jednoducho rozpustené v cytoplazme; iné sú spojené so zložitými vysoko organizovanými štruktúrami. Existujú aj enzýmy, ktoré sú normálne mimo bunky; teda enzýmy, ktoré katalyzujú rozklad škrobu a bielkovín, sú vylučované pankreasom do čriev. Vylučujú enzýmy a mnohé mikroorganizmy.

Prvé údaje o enzýmoch boli získané štúdiom procesov fermentácie a trávenia. L. Pasteur významne prispel k štúdiu fermentácie, ale veril, že iba živé bunky môžu vykonávať zodpovedajúce reakcie. Na začiatku 20. stor E. Buchner ukázal, že fermentáciu sacharózy za tvorby oxidu uhličitého a etylalkoholu môže katalyzovať bezbunkový kvasnicový extrakt. Tento dôležitý objav podnietil izoláciu a štúdium bunkových enzýmov. V roku 1926 J. Sumner z Cornell University (USA) izoloval ureázu; bol to prvý enzým získaný v prakticky čistej forme. Odvtedy bolo objavených a izolovaných viac ako 700 enzýmov, no oveľa viac ich existuje v živých organizmoch. Identifikácia, izolácia a štúdium vlastností jednotlivých enzýmov zaujíma ústredné miesto v modernej enzymológii.

Enzýmy zapojené do základných procesov premeny energie, ako je štiepenie cukrov, tvorba a hydrolýza vysokoenergetickej zlúčeniny adenozíntrifosfátu (ATP), sú prítomné vo všetkých typoch buniek – živočíšnych, rastlinných, bakteriálnych. Existujú však enzýmy, ktoré sa produkujú iba v tkanivách určitých organizmov. Enzýmy zapojené do syntézy celulózy sa teda nachádzajú v rastlinných bunkách, ale nie v živočíšnych. Preto je dôležité rozlišovať medzi „univerzálnymi“ enzýmami a enzýmami špecifickými pre určité typy buniek. Všeobecne povedané, čím je bunka špecializovanejšia, tým je pravdepodobnejšie, že syntetizuje súbor enzýmov potrebných na vykonávanie konkrétnej bunkovej funkcie.

Enzýmy a trávenie. Enzýmy sú nevyhnutnými účastníkmi procesu trávenia. Len zlúčeniny s nízkou molekulovou hmotnosťou môžu prejsť cez črevnú stenu a dostať sa do krvného obehu, takže zložky potravy sa musia najskôr rozložiť na malé molekuly. K tomu dochádza pri enzymatickej hydrolýze (rozklade) bielkovín na aminokyseliny, škrobu na cukry, tukov na mastné kyseliny a glycerol. Hydrolýzu bielkovín katalyzuje enzým pepsín obsiahnutý v žalúdku. Pankreasom sa do čriev vylučuje množstvo vysoko účinných tráviacich enzýmov. Ide o trypsín a chymotrypsín, ktoré hydrolyzujú proteíny; lipáza, ktorá rozkladá tuky; amyláza katalyzuje rozklad škrobu. Pepsín, trypsín a chymotrypsín sa vylučujú v neaktívnej forme, vo forme tzv. zymogény (proenzýmy) a aktivujú sa až v žalúdku a črevách. To vysvetľuje, prečo tieto enzýmy neničia bunky pankreasu a žalúdka. Steny žalúdka a čriev sú chránené pred tráviacimi enzýmami a vrstvou hlienu. Bunkami v tenkom čreve je vylučovaných niekoľko dôležitých tráviacich enzýmov.

Väčšina energie uloženej v rastlinnej potrave, ako je tráva alebo seno, je uložená v celulóze, ktorú rozkladá enzým celuláza. V tele bylinožravcov sa tento enzým nesyntetizuje a prežúvavce, ako je dobytok a ovce, môžu jesť potravu obsahujúcu celulózu len preto, že celulázu produkujú mikroorganizmy, ktoré obývajú prvú časť žalúdka – jazvu. Termity trávia potravu aj pomocou mikroorganizmov.

Enzýmy sa využívajú v potravinárskom, farmaceutickom, chemickom a textilnom priemysle. Príkladom je rastlinný enzým získaný z papáje a používaný na zmäkčenie mäsa. Enzýmy sa pridávajú aj do pracích práškov.

Enzýmy v medicíne a poľnohospodárstve. Uvedomenie si kľúčovej úlohy enzýmov vo všetkých bunkových procesoch viedlo k ich širokému použitiu v medicíne a poľnohospodárstve. Normálne fungovanie akéhokoľvek rastlinného a živočíšneho organizmu závisí od efektívnej činnosti enzýmov. Pôsobenie mnohých toxických látok (jedov) je založené na ich schopnosti inhibovať enzýmy; viaceré lieky majú rovnaký účinok. Účinok lieku alebo toxickej látky možno často vysledovať podľa jeho selektívneho účinku na prácu konkrétneho enzýmu v tele ako celku alebo v konkrétnom tkanive. Napríklad silné organofosforové insekticídy a nervovoparalytické látky vyvinuté na vojenské účely majú svoj škodlivý účinok tým, že blokujú prácu enzýmov - predovšetkým cholínesterázy, ktorá hrá dôležitú úlohu pri prenose nervových vzruchov.

Pre lepšie pochopenie mechanizmu účinku liekov na enzýmové systémy je užitočné zvážiť, ako fungujú niektoré inhibítory enzýmov. Mnoho inhibítorov sa viaže na aktívne miesto enzýmu, na to, s ktorým substrát interaguje. V takýchto inhibítoroch sú najdôležitejšie štruktúrne znaky blízke tým, ktoré má substrát, a ak sú substrát aj inhibítor prítomné v reakčnom médiu, súťažia o väzbu na enzým; čím vyššia je koncentrácia substrátu, tým úspešnejšie konkuruje inhibítoru. Inhibítory iného typu vyvolávajú konformačné zmeny v molekule enzýmu, ktoré zahŕňajú funkčne dôležité chemické skupiny. Štúdium mechanizmu účinku inhibítorov pomáha chemikom vytvárať nové lieky.

NIEKTORÉ ENZÝMY A NIMI KATALYZOVANÉ REAKCIE

Typ chemickej reakcie

Enzým

Zdroj

katalyzovaná reakcia 1)

Hydrolýza trypsín Tenké črevo Bielkoviny + H20 ® Rôzne polypeptidy
Hydrolýza b- Amyláza Pšenica, jačmeň, sladké zemiaky atď. Škrob + H20 ® škrobový hydrolyzát + maltóza
Hydrolýza trombín Krv Fibrinogén + H20 ® Fibrín + 2 polypeptidy
Hydrolýza Lipázy Črevá, semená s vysokým obsahom tuku, mikroorganizmy Tuky + H20 ® Mastné kyseliny + Glycerín
Hydrolýza Alkalický fosfát Takmer všetky bunky Organické fosfáty + H 2 O ® Defosforylovaný produkt + anorganický fosfát
Hydrolýza Ureáza Niektoré rastlinné bunky a mikroorganizmy Močovina + H20 ® Amoniak +Oxid uhličitý
Fosforolýza Fosforyláza Živočíšne a rastlinné tkanivá obsahujúce polysacharidy Polysacharid (škrob alebo glykogén znmolekuly glukózy) + Anorgan fosfát Glukóza-1-fosfát+ polysacharid ( n – 1glukózové jednotky)
Dekarboxylácia dekarboxyláza Kvasinky, niektoré rastliny a mikroorganizmy Kyselina pyrohroznová ® Acetaldehyd + Oxid uhličitý
Kondenzácia Aldolase 2 fosforečnan trióza Hexosodifosfát
Kondenzácia Oxalacetát transacetyláza Tiež Kyselina oxalooctová + Acetyl koenzým AKyselina citrónová+ koenzým A
Izomerizácia Fosfohexóza izomeráza Tiež Glukóza-6-fosfát Fruktóza 6-fosfát
Hydratácia fumaráza Tiež Kyselina fumarová+ H2O Kyselina jablková
Hydratácia karboanhydráza Rôzne živočíšne tkanivá; zelené listy Oxid uhličitý+ H2O Kyselina uhličitá
Fosforylácia pyruvátkináza Takmer všetky (alebo všetky) bunky ATP + kyselina pyrohroznová Fosfoenolpyrohrozn kyselina + ADP
Prenos fosfátových skupín Fosfoglukomutáza Všetky živočíšne bunky; veľa rastlín a mikroorganizmov Glukóza-1-fosfát Glukóza-6-fosfát
Reaminácia transamináza Väčšina buniek Kyselina asparágová + kyselina pyrohroznová oxaloctovákyselina + alanín
Syntéza spojená s hydrolýzou ATP Glutamínsyntetáza Tiež Kyselina glutámová + amoniak + ATP Glutamín + ADP + Anorganický fosfát
redox cytochróm oxidáza Všetky živočíšne bunky, mnohé rastliny a mikroorganizmy O2+ Obnovený cytochróm c ® oxidovaný cytochróm c+ H2O
redox Oxidáza kyseliny askorbovej Mnoho rastlinných buniek Vitamín C+O2 ® Kyselina dehydroaskorbová + Peroxid vodíka
redox Cytochróm c reduktázy Všetky živočíšne bunky; veľa rastlín a mikroorganizmov VYŠŠIE · H (redukovaný koenzým) + Oxidovaný cytochrómc ® Obnovený cytochrómc + NAD (oxidovaný koenzým)
redox laktátdehydrogenáza Väčšina zvierat lepidlo - prúd; niektoré rastliny a mikroorganizmy Kyselina mliečna + NAD (oxidovaný koenzým) pyrohroznový kyselina + NAD · H (obnovené koenzým)
1) Jedna šípka znamená, že reakcia v skutočnosti prebieha jedným smerom a dvojité šípky - že reakcia je reverzibilná.

LITERATÚRA

Fursht E. Štruktúra a mechanizmus účinku enzýmov . M., 1980
Strayer L. Biochémia 1 (str. 104-131), zväzok 2 (str. 23-94). M., 1984-1985
Murray R, Grenner D, Meyes P, Rodwell W.biochémia človeka , zväzok 1. M., 1993