Ферменты необходимы для правильного функционирования всех живых организмов на Земле. Они участвуют в большинстве, если не во всех, химических изменениях в природе, то есть в миллионах реакций как в мире растений, так и в мире животных. Стоит узнать, что такое ферменты, как они работают и каково их значение для современной медицины.
Оглавление
- Ферменты: структура
- Регулирование активности ферментов
- Ферменты: роль
- Ферменты: номенклатура
- Ферменты и лекарства
- Заболевания, вызванные дисфункциональными ферментами
- Ферменты: диагностическое использование
- Ферменты и лечение
Ферменты - это белковые молекулы, которые ускоряют или даже позволяют протекать различным химическим реакциям в живых организмах, в том числе в организме человека.
С химической точки зрения это катализаторы, т.е. частицы, которые усиливают реакцию, но не изнашиваются в процессе реакции. Это повышение эффективности химических превращений часто бывает огромным, природные катализаторы могут сократить время реакции с нескольких лет до нескольких секунд.
Ферменты обнаруживаются во всех областях тела: в клетках, во внеклеточном пространстве, в тканях, в органах и в их свете, который катализирует продукцию данной ткани, определяет ее специфические свойства и роль, которую она играет в организме.
Большинство ферментов очень специфичны, что означает, что каждый из них отвечает только за один тип химической реакции, в которой участвуют определенные частицы - субстраты, и только они могут взаимодействовать с данным ферментом.
Активность природных катализаторов зависит от многих факторов: реакционной среды, например температуры, pH, наличия определенных ионов, активаторов - они усиливают действие ферментов и ингибиторов, которые противодействуют этой активности.
Ферменты: структура
Как уже упоминалось, большинство ферментов - это белки, они имеют очень разнообразную структуру: от нескольких десятков аминокислот до нескольких тысяч, расположенных в разнообразной пространственной структуре.
Это форма их образования (так называемая четвертичная структура), и тот факт, что большинство ферментов намного крупнее, чем реагенты их реакций, в значительной степени отвечает за их активность.
Это связано с тем, что в структуре ферментов только определенная область является так называемым активным центром, то есть фрагментом, ответственным за проведение реакции.
Задача остальных фрагментов молекулы - прикрепить определенный субстрат, реже другие соединения, влияющие на активность фермента.
Стоит знать, что структура катализатора спроектирована таким образом, чтобы соединяющая подложка идеально подходила с точки зрения «ключа к замку».
Как и все белки, ферменты производятся в рибосомах из генетического материала, плотно упакованного в ядре - ДНК, создавая, таким образом, так называемую первичную структуру.
Затем он несколько раз подвергается сворачиванию - изменяет свою форму, иногда с добавлением сахаров, ионов металлов или жировых остатков.
Результатом всех этих процессов является образование активной четвертичной структуры, то есть полностью биологически активной формы.
Во многих случаях несколько частиц фермента объединяются, чтобы провести серию химических реакций и, таким образом, ускорить процесс.
Бывает, что в нескольких тканях есть ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию, но структурно они не всегда похожи друг на друга, мы называем их изоферментами.
Названия изоферментов одинаковы, несмотря на различие в расположении и структуре, но эти различия имеют практическое применение. Благодаря этому в лабораторных исследованиях можно определить только те фракции ферментов, которые происходят из определенного органа.
Механизмы действия ферментов разнообразны, но с химической точки зрения их задачей всегда является снижение энергии активации реакции. Это количество энергии, которое должно иметь субстрат для осуществления процесса.
Этот эффект может быть достигнут путем создания соответствующей среды для проведения реакции, использования другого химического пути для получения тех же продуктов или соответствующего пространственного расположения субстратов.
Каждый из этих механизмов может использоваться ферментами.
Регулирование активности ферментов
Действие ферментов зависит от параметров окружающей среды: температуры, pH и других. Каждый из природных катализаторов имеет свои собственные оптимальные характеристики при определенных условиях, которые могут сильно различаться в зависимости от его устойчивости к условиям окружающей среды.
В случае температуры большинство ферментативных реакций протекает быстрее при более высоких температурах, но при определенной температуре эффективность реакции резко падает, что вызвано термическим повреждением фермента (денатурацией).
По своему строению гормоны можно разделить на две группы:
- просто - это всего лишь частицы белка
- сложные - которые требуют присоединения небелковой группы - кофактора к их активности
Последние играют ключевую роль в правильной активности и регуляции ферментов.
В свою очередь, кофакторы можно разделить на две группы: те, которые необходимы для функционирования фермента, прочно с ним связанные - это так называемые простетические группы, это могут быть металлы, органические молекулы, например гем.
Вторая группа - это коферменты, они обычно отвечают за перенос субстратов или электронов, и их связывание с ферментом слабое, в эту группу входят, например, фолиевая кислота, кофермент А. Стоит знать, что многие витамины играют роль кофакторов.
Ингибиторы выполняют совершенно другую задачу, они представляют собой частицы, которые подавляют ферментативную активность, связываясь с ферментом.
Есть несколько типов ингибиторов:
- необратимые - они вызывают необратимую инактивацию молекулы, и реакция может иметь место только после выработки нового фермента
- конкурентные - в этом случае ингибитор имеет структуру, аналогичную субстрату, поэтому они конкурируют за активный центр. Если ингибитор присоединен, реакция не проходит, пока субстрат в норме.
- неконкурентоспособный - такие ингибиторы связывают фермент в месте, отличном от прикрепления субстрата, поэтому он может прикрепляться к ферменту, но реакция не происходит
При гораздо более высокой концентрации субстрата, чем у ингибитора, эффект конкурентного ингибитора преодолевается, поскольку он перерастает «конкуренцию» за активный центр, в случае неконкурентного действия его эффект не может быть преодолен увеличением концентрации субстрата.
Помимо регуляции активаторной и ингибиторной систем, существует множество других методов контроля активности ферментов.
Они касаются контроля клеткой продукции на уровне образования белка, а также регуляции так называемого посттрансляционного процессинга, то есть изменений в структуре белковой молекулы, происходящих сразу после ее синтеза в рибосоме. Эти модификации представляют собой, например, укорачивание полипептидной цепи.
Следующие методы регуляции касаются сегрегации и размещения ферментов в соответствующих областях: клеточных и в определенных органеллах или во внеклеточном компартменте.
Есть еще один важный регуляторный механизм - отрицательная обратная связь - это основная система контроля в эндокринной системе. Работает по принципу торможения.
Это означает, что если фермент производит слишком много определенного гормона, он связывается с ним, вызывая подавление активности и снижение синтеза, поэтому сам продукт реакции подавляет его производство.
Ферменты: роль
Каждая ткань человеческого тела вырабатывает определенный набор ферментов, который определяет роль этих клеток в функционировании организма. Что это за ферменты, определяется генетическим кодом и какие области активны в данной клетке.
В организме человека в любое время происходят тысячи химических реакций, каждая из которых требует определенного фермента, поэтому было бы сложно перечислить все эти частицы, присутствующие в нашем организме.
Однако стоит знать о некоторых наиболее характерных:
- Пищеварительные ферменты - вырабатываются тканями пищеварительной системы, они расщепляют пищу на простые соединения, потому что только они могут всасываться в кровь. Это внеклеточные ферменты, поэтому они выполняют свою основную задачу за пределами клеток, в которых они производятся. Некоторые из этих ферментов образуются в неактивной форме, так называемые проферменты или зимогены, и активируются в желудочно-кишечном тракте. Пищеварительные ферменты включают, например, амилазу, липазу, трипсин.
- Миозин - это фермент, обнаруженный в мышцах, он расщепляет молекулы АТФ, которые являются энергоносителями, благодаря чему заставляет мышечные волокна сокращаться.
- Пероксидазы - это окисляющие ферменты и каталазы, то есть восстанавливающие ферменты.
- Ацетилхолинэстераза - это фермент, расщепляющий ацетилхолин, один из посредников нервной системы.
- Моноаминоксидаза - это самый распространенный в печени фермент, который отвечает за расщепление адреналина, норадреналина и некоторых лекарств.
- Цитохомоксидаза, очень важный внутриклеточный фермент, ответственный за изменения энергии
- Лизоцим, вещество, присутствующее, например, в слезах или слюне, которое выполняет защитные функции, уничтожает патогены.
- Алкогольдегидрогеназа, фермент в печени, который отвечает за расщепление этанола.
- Щелочная фосфатаза, участвует в строительстве костей остеобластами
Ферменты: номенклатура
Названия ферментов часто довольно сложны, поскольку они происходят от названия реакции, которую они проводят, и субстрата, участвующего в этой реакции, например, 5-гидрокситриптофандекарбоксилазы.
Обычно суффикс «-аза» добавляется к общему названию реакции, а вторая часть названия фермента образует название соединения, претерпевающего эту реакцию.
Бывает, что название одноразовое, значит оно происходит от субстрата, например, лактазы (фермента, расщепляющего лактозу).
Реже названия ферментов происходят от общего процесса, происходящего с их участием, например, ДНК-гираза, то есть фермент, ответственный за вращение цепей ДНК.
Некоторые ферменты в конечном итоге имеют общие названия или названия, данные их первооткрывателем, например, пепсин (который расщепляет белки в пищеварительном тракте) или лизоцим (бактерицидный фермент, содержащийся в слезах).
Существует также небольшая группа рестрикционных ферментов, которые отвечают за разрезание цепей ДНК, в данном случае название происходит от микроорганизма, из которого был выделен фермент.
Международный союз биохимии и молекулярной биологии ввел правила для наименования ферментов и разделил их на несколько классов, чтобы стандартизировать номенклатуру.
Он не заменил описанные ранее названия, это скорее добавка, используемая в основном учеными.
Согласно правилам Европейского Союза, каждый фермент описывается последовательностью символов: EC x.xx.xx.xx - где первая цифра обозначает класс, последующие подклассы и подклассы и, наконец, номер фермента. Упомянутые классы ферментов:
• 1 - оксидоредуктазы: катализируют реакции окисления и восстановления
• 2 - трансферазы: передают функциональные группы (например, фосфат)
• 3 - гидролазы: соответствуют гидролизу (разложению) связей.
• 4 - лиазы: разрыв связей по механизму, отличному от гидролиза.
• 5 - изомеразы: они отвечают за пространственные изменения молекул
• 6 - лигазы: соединяют молекулы ковалентными связями
Ферменты и лекарства
Значение ферментов для здоровья человека огромно. Их правильная работа позволяет вести здоровый образ жизни, а благодаря развитию аналитических устройств мы научились диагностировать различные заболевания с помощью определения ферментов. Более того, мы можем успешно лечить дефицит некоторых ферментов и связанные с этим заболевания, но, к сожалению, в этом вопросе еще многое предстоит сделать.
Лечение причин метаболических заболеваний пока невозможно, потому что мы не можем безопасно и эффективно модифицировать генетический материал, чтобы восстановить поврежденные гены и, следовательно, неправильно продуцируемые ферменты.
Заболевания, вызванные дисфункциональными ферментами
Правильное функционирование нашего организма во многом зависит от правильного функционирования ферментов. Во многих случаях болезненные состояния влияют на количество ферментов, вызывая их чрезмерное высвобождение из клеток или, наоборот, их недостаток.Ниже приведены лишь примеры заболеваний, вызванных аномальными ферментативными функциями, их гораздо больше.
- Метаболические блоки или метаболические заболевания
Метаболические блоки или метаболические заболевания - это группа наследственных заболеваний, вызванных накоплением веществ в клетке из-за отсутствия фермента, ответственного за их метаболизм. Со временем накапливается так много субстратов, что они становятся токсичными для клеток и всего организма.
Таких болезней несколько тысяч, их количество отражает множество ферментов, обнаруженных в организме человека, потому что метаболические заболевания могут затронуть большинство генов, кодирующих ферменты.
Примеры - галактоземия или гомоцистинурия - редкие заболевания, которые чаще всего проявляются сразу после рождения или в первые годы жизни.
- Опухоли
Другая группа заболеваний, в которых может быть задействовано нарушение функции ферментов, - это рак. Помимо многих других функций, ферменты также отвечают за регулирование деления клеток, так называемые тирозинкиназы. Если эти ферменты не работают в этой области, может произойти неконтролируемое деление клеток и, следовательно, неопластический процесс.
- Эмфизема
Менее распространенное заболевание - эмфизема, в этом случае эластаза становится сверхактивной. Это фермент, присутствующий в легочной ткани, ответственный, в частности, за распад белка эластина, присутствующего в легких.
Если он слишком активен, баланс между разрушением и строительством нарушается, возникает рубцевание и развивается эмфизема.
Ферменты: диагностическое использование
Современная медицинская диагностика основана на использовании ферментов при их определении. Это связано с тем, что болезненные состояния прямо или косвенно приводят к дисбалансу ферментов, вызывая увеличение или уменьшение их количества в крови.
Это может быть результатом не только производственных нарушений, но также, например, выброса большого количества внутриклеточного фермента в кровь или мочу в результате повреждения клеточной мембраны.
Примеры ферментов, используемых в лабораторных исследованиях:
- Креатинкиназа - фермент, присутствующий в мышцах, в том числе и в сердечной мышце, его многократное увеличение может указывать на инфаркт, миокардит, мышечные заболевания - травмы, дистрофию.
- Лактатдегидрогеназа - присутствует во всех клетках тела, особенно в головном мозге, легких, лейкоцитах и мышцах. Его большое увеличение наблюдается при инфаркте миокарда, заболеваниях мышц и печени или раке.
- Щелочная фосфатаза в основном находится в печени и костях, здесь она выделяется остеобластами. Заболевания этих органов могут вызвать его рост, но избыток щелочной фосфатазы также может указывать на процесс регенерации костей - после операции или перелома.
- Кислая фосфатаза присутствует во многих органах - печени, почках, костях, простате, с диагностической точки зрения ее повышение может указывать на заболевания костей и простаты.
- Аспартатаминотрансфераза и аланинаминотрансфераза - это характерные для печени ферменты, встречающиеся почти исключительно в гепатоцитах, они используются в основной скрининговой диагностике заболеваний печени, и их многократное увеличение их значений всегда требует дальнейшей диагностики заболеваний печени.
- Глутаматдегидрогеназа и гаммаглутамилтрансфераза - другие ферменты печени, как и ранее упомянутые, важны в диагностике заболеваний этого органа и желчевыводящих путей.
- Амилаза - это фермент, присутствующий во многих органах, но наибольшая концентрация достигается в клетках поджелудочной железы и слюнных желез, ее диагностика имеет наибольшее значение при их заболеваниях.
- Липаза - еще один фермент поджелудочной железы, он отличается специфичностью от амилазы, а значит, липаза встречается только в поджелудочной железе и отклонения от нормы в определении этого фермента указывают на заболевание поджелудочной железы.
- Холинэстераза - это фермент, расщепляющий ацетилхолин - медиатор в нервной системе, где он также присутствует в наибольшем количестве, в диагностике используется при отравлении фосфорорганическими соединениями.
- Факторы свертывания и фибринолиза - это вещества, вырабатываемые печенью, участвующие в процессе свертывания крови, их определение важно не только для оценки этого процесса, но и для мониторинга функции печени.
- Альфа-фетопротеин - фермент печени, количество которого увеличивается при заболеваниях этого органа, включая рак.
- С-реактивный белок - вырабатывается печенью, участвует в иммунном ответе, его количество увеличивается в крови при воспалительных состояниях - инфекциях, травмах, аутоиммунных заболеваниях.
- Церулоплазмин - еще один фермент печени, повышение которого характерно для болезни Вильсона.
- Пиридинолин и дезоксипиридинолин являются маркерами резорбции (деструкции) кости и характеризуют функцию остеокластов (остеогенных клеток).
- Миоглобин - как упоминалось ранее, это сложная характеристика мышц, поэтому его увеличение будет указывать на повреждение скелетных или сердечных мышц.
- Тропонины - так называемые маркеры сердечного приступа - это ферменты, регулирующие сокращение мышечных волокон, особенно их много в сердечной мышце. Его повреждение вызывает выброс в кровь большого количества тропонинов, что используется при диагностике сердечных заболеваний. Однако стоит помнить, что повышение тропонинов может указывать не только на сердечный приступ, но и на его недостаточность, пороки клапана или тромбоэмболию легочной артерии.
Все перечисленные выше ферменты можно разделить на несколько групп:
- Секреторные ферменты - нижняя граница нормы диагностическая. Это ферменты, которые физиологически вырабатываются органами, но в случае заболеваний их количество уменьшается, например факторы свертывания крови.
- Индикатор ферментов - важен рост. Эта группа ферментов появляется в больших количествах из-за повреждения органов и утечки ферментов, например, тропонины.
- экскреторные ферменты - это ферменты, которые в норме вырабатываются в просветах различных органов - рта, кишечника или мочевыводящих путей. Если их выход заблокирован, они попадают в кровь, например, амилаза
Стоит помнить, что ферменты используются в самой медицинской диагностике. Биохимические анализы проводятся с использованием ферментов, а соответствующая интерпретация результатов ферментативных реакций позволяет предоставить результат лабораторного исследования.
Ферменты и лечение
Многие лекарства действуют, влияя на действие ферментов, либо заставляя их действовать, либо, наоборот, являясь ингибиторами. Существуют заменители ферментов, такие как панкреатин, содержащие липазу и амилазу, для лечения панкреатической недостаточности.
С другой стороны, некоторые группы лекарств подавляют действие ферментов, например, ингибиторы ангиотензинпревращающего фермента, используемые, среди прочего, при гипертонии и сердечной недостаточности, или некоторые антибиотики, например, амоксициллин, который ингибирует фермент бактериальную транспептидазу, который препятствует построению клеточной стенки бактерий и, таким образом, ингибирует инфекция.
Некоторые яды также действуют, воздействуя на ферменты. Цианид - мощный ингибитор цитохромоксидазы, важного компонента дыхательной цепи. Его блокировка не позволяет клетке получать энергию, что приводит к ее гибели.
Для правильного протекания жизненных процессов клеток необходимо наличие множества химических веществ, находящихся между собой в строгих пропорциях, между которыми постоянно происходят химические реакции.
Эта задача выполняется правильно функционирующими ферментами, которые необходимы для того, чтобы практически любая химическая реакция протекала со скоростью и эффективностью, необходимой для правильного функционирования человеческого тела.
Действие ферментов многократно, а зачастую и в сотни раз ускоряет эти процессы, что немаловажно, сами ферменты не изнашиваются во время протекающих реакций.
Отсутствие катализаторов или их неправильное функционирование может привести к возникновению многих заболеваний. С другой стороны, умелая модификация их деятельности позволяет успешно лечить многие недуги.
Энзимология (наука о ферментах) чрезвычайно обширна, и ее развитие может принести не только научный прогресс, но и активно способствовать развитию медицины в области не только лечения, но и диагностики.
Об авторе
