Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!

Enzymy jsou nezbytné pro správné fungování všech živých organismů na Zemi. Účastní se většiny, ne-li všech, chemických změn v přírodě, tedy milionů reakcí jak ve světě rostlin, tak ve světě zvířat. Stojí za to zjistit, co jsou to enzymy, jak fungují a jaký je jejich význam pro moderní medicínu.

Enzymyjsou proteinové molekuly, které urychlují nebo dokonce umožňují různé chemické reakce v živých organismech, včetně lidského těla.

Z chemického hlediska se jedná o katalyzátory, tedy částice, které zesilují reakci, ale během reakce se neopotřebují. Toto zvýšení účinnosti chemických přeměn je často obrovské, přírodní katalyzátory mohou zkrátit reakční dobu z několika let na několik sekund.

Enzymy se nacházejí ve všech oblastech těla: v buňkách, v extracelulárním prostoru, ve tkáních, v orgánech a v jejich světle, katalyzátory, které daná tkáň produkuje, určují její specifické vlastnosti a roli, kterou hraje v tělo.

Většina enzymů je velmi specifická, což znamená, že každý z nich je zodpovědný pouze za jeden typ chemické reakce, na které se podílejí specifické částice - substráty a pouze ty mohou s daným enzymem interagovat.

Aktivita přírodních katalyzátorů závisí na mnoha faktorech: reakční prostředí, např. teplota, pH, přítomnost určitých iontů, aktivátory - ty zesilují působení enzymů a inhibitorů, které působí proti této aktivitě.

Enzymy: struktura

Jak již bylo zmíněno, většina enzymů jsou proteiny, mají velmi různorodou strukturu: od několika desítek aminokyselin až po několik tisíc uspořádaných v různorodé prostorové struktuře.

Za jejich aktivitu je z velké části odpovědná forma jejich vzniku (tzv. kvartérní struktura) a skutečnost, že většina enzymů je mnohem větší než reakční složky jejich reakcí.

Je to způsobeno tím, že pouze určitá oblast ve struktuře enzymů je tzv. aktivním místem, tj. fragmentem zodpovědným za provedení reakce.

Úkolem zbývajících fragmentů molekuly je připojit specifický substrát, méně často další sloučeniny ovlivňující aktivitu enzymu

Je dobré tu konstrukci znátkatalyzátoru je navržen tak, aby spojovací substrát byl ideálně geometricky sladěn, jako "klíč k zámku".

Jako všechny proteiny jsou enzymy produkovány v ribozomech z genetického materiálu, který je pevně zabalen v jádře - DNA, čímž vzniká tzv. primární struktura

Poté se několikrát složí - změní svůj tvar, někdy přidají cukry, kovové ionty nebo mastné zbytky.

Výsledkem všech těchto procesů je vytvoření aktivní kvartérní struktury, tj. plně biologicky aktivní formy.

V mnoha případech se několik enzymových částic spojí, aby provedly řadu chemických reakcí, a tím urychlily proces.

Někdy jsou v několika tkáních enzymy, které katalyzují stejnou reakci, ale nejsou si strukturálně podobné, nazýváme je izoenzymy

Názvy izoenzymů jsou stejné, i přes rozdíl v umístění a struktuře, nicméně tyto rozdíly mají praktické využití. Díky tomu je možné v laboratorních testech stanovit pouze ty frakce enzymu, které pocházejí z konkrétního orgánu

Mechanismy působení enzymů jsou různé, ale z chemického hlediska je jejich úkolem vždy snížit aktivační energii reakce. Toto je množství energie, kterou musí mít substráty, aby proces mohl proběhnout.

Tohoto efektu lze dosáhnout vytvořením vhodného prostředí pro reakci, použitím jiné chemické cesty k získání stejných produktů nebo vhodným prostorovým uspořádáním substrátů

Každý z těchto mechanismů mohou využívat enzymy.

Regulace enzymové aktivity

Působení enzymů závisí na parametrech prostředí: teplotě, pH a dalších. Každý z přírodních katalyzátorů má svůj optimální výkon za určitých podmínek, které mohou být různě široké v závislosti na jeho toleranci k podmínkám prostředí.

V případě teploty je většina enzymatických reakcí rychlejší při vyšších teplotách, ale při určité teplotě účinnost reakce prudce klesá, což je způsobeno tepelným poškozením enzymu (denaturací).

Z hlediska struktury lze hormony rozdělit do dvou skupin:

  • jednoduché – pouze bílkovinné částice
  • komplex - které vyžadují přidání neproteinové skupiny - kofaktor

Posledně jmenované hrají klíčovou roli ve správné aktivitě a regulaci enzymů.

Kofaktory lze zase rozdělit do dvou skupin: ty nezbytné proaktivity enzymu, s ním silně spojené - jedná se o tzv. prostetické skupiny, mohou to být kovy, organické molekuly, jako je např. hem

Druhou skupinou jsou koenzymy, obvykle jsou zodpovědné za přenos substrátů nebo elektronů a jejich vazba na enzym je slabá, do této skupiny patří např. kyselina listová, koenzym A. Stojí za to vědět, že mnoho vitamínů hraje roli kofaktorů.

Inhibitory plní úplně jiný úkol, jsou to částice, které inhibují enzymatickou aktivitu vazbou na enzym.

Existuje několik typů inhibitorů:

  • nevratné - způsobují trvalou inaktivaci molekuly a reakce může proběhnout až po produkci nového enzymu
  • kompetitivní - v tomto případě má inhibitor podobnou strukturu jako substrát, takže soutěží o aktivní místo. Pokud je připojen inhibitor, reakce nenastane, pokud substrát - probíhá normálně
  • nekompetitivní - takové inhibitory váží enzym na jiném místě, než je substrát, takže se může na enzym napojit, ale reakce neproběhne

Při mnohem vyšší koncentraci substrátu než inhibitoru je účinek kompetitivního inhibitoru překonán, protože přebíjí „konkurenci“ o aktivní místo, v případě nekompetitivního nelze jeho účinek dosáhnout překonat zvýšením koncentrace substrátu.

Kromě regulace aktivátorových a inhibitorových systémů existuje mnoho dalších metod řízení aktivity enzymů

Týkají se buněčného řízení produkce na úrovni tvorby bílkovin a také regulace tzv. posttranslačního zpracování, tedy změn ve struktuře molekuly bílkovin, ke kterým dochází bezprostředně po její syntéze v ribozom. Tyto modifikace spočívají například ve zkrácení polypeptidového řetězce

Další metody regulace se týkají segregace a umístění enzymů ve vhodných oblastech: buněčné a ve specifických organelách nebo v extracelulárním kompartmentu

Existuje ještě jeden důležitý regulační mechanismus – negativní zpětná vazba – je to primární kontrolní systém v endokrinním systému. Funguje na principu inhibice.

To znamená, že pokud enzym produkuje příliš mnoho určitého hormonu, váže se na něj, inhibuje jeho aktivitu a snižuje syntézu, takže samotný reakční produkt inhibuje jeho produkci.

Enzymy: role

Každá tkáň lidského těla produkuje specifickou sadu enzymů, které definují roli těchto buněk ve fungování těla. Co jsou to za enzymy, je definováno genetickým kódem a které oblasti jsou v dané buňce aktivní.

V lidském těle probíhají kdykoli tisíce chemických reakcí, z nichž každá vyžaduje specifický enzym, takže by bylo obtížné vyjmenovat všechny tyto částice přítomné v našem těle.

Stojí za to vědět o některých z nejcharakterističtějších:

  • Trávicí enzymy- produkované tkáněmi trávicího systému, rozkládají potravu na jednoduché sloučeniny, protože jen ty se mohou vstřebat do krve. Jsou to extracelulární enzymy, takže svůj hlavní úkol plní mimo buňky, ve kterých jsou produkovány. Některé z těchto enzymů se tvoří v neaktivní formě, tzv. proenzymy nebo zymogeny, a aktivují se v gastrointestinálním traktu. Mezi trávicí enzymy patří např.: amyláza, lipáza, trypsin
  • Myosinje enzym nacházející se ve svalech, štěpí molekuly ATP, které jsou přenašeči energie, a tím způsobuje kontrakci svalových vláken.
  • Peroxidázyjsou oxidační enzymy a katalázy, tj. redukční enzymy
  • Acetylcholinesterázaje enzym, který štěpí acetylcholin, jeden z přenašečů v nervovém systému
  • Monoaminoxidázaje enzym nejhojnější v játrech, je zodpovědný za odbourávání adrenalinu, noradrenalinu a některých léků
  • Cytochomická oxidáza , velmi důležitý intracelulární enzym zodpovědný za energetické transformace
  • Lysozym , látka přítomná např. v slzách nebo slinách, která plní ochranné funkce, ničí patogeny
  • Alkoholdehydrogenáza , enzym v játrech zodpovědný za rozklad etanolu
  • Alkalická fosfatáza , podílí se na stavbě kostí osteoblasty

Enzymy: pojmenování

Názvy enzymů jsou často poměrně komplikované, protože jsou odvozeny od názvu reakce, kterou provádějí, a substrátu, který se této reakce účastní, např. 5-hydroxytryptofan dekarboxyláza

Typicky se k obecnému názvu reakce přidává přípona "-aza" a druhá část názvu enzymu tvoří název sloučeniny, která prochází touto reakcí.

Někdy je název jednoduchý, pochází ze substrátu, např. laktázy (enzym, který štěpí laktózu).

Vzácněji se názvy enzymů odvozují od obecného procesu, který probíhá za jejich účasti, např. DNA gyráza, enzym zodpovědný za otáčení řetězců DNA.

Některé enzymy mají konečně běžné názvy nebo názvy dané jejich objeviteli, jako je pepsin (který štěpí bílkoviny v trávicím traktu) nebo lysozym (baktericidní enzym obsažený vslzy).

Existuje také malá skupina restrikčních enzymů, které jsou zodpovědné za řezání řetězců DNA, v tomto případě název pochází z mikroorganismu, ze kterého byl enzym izolován.

Mezinárodní unie biochemie a molekulární biologie zavedla pravidla pro pojmenování enzymů a rozdělila je do několika tříd za účelem standardizace nomenklatury.

Nenahrazuje výše popsaná jména, jde spíše o doplněk používaný především vědci.

Podle pravidel Evropské unie je každý enzym popsán sekvencí znaků: EC x.xx.xx.xx - kde první číslice znamená třídu, následující podtřídy a podtřídy a nakonec enzymové číslo. Tyto třídy enzymů jsou:

• 1 - oxidoreduktázy: katalyzují oxidační a redukční reakce
• 2 - transferázy: přenášejí funkční skupiny (např. fosfát)
• 3 - hydrolázy: odpovídají hydrolýze (rozkladu) vazeb
• 4 - lyázy: štěpí vazby jiným mechanismem než hydrolýza
• 5 - izomerázy: zodpovídají za prostorové změny molekul
• 6 - ligázy: spojují molekuly s kovalentními vazbami

Enzymy a léky

Význam enzymů pro lidské zdraví je obrovský. Jejich správné fungování umožňuje zdravý život a díky vývoji analytických přístrojů jsme se naučili diagnostikovat různá onemocnění pomocí stanovení enzymů. Nedostatky některých enzymů az toho vyplývající nemoci navíc umíme úspěšně léčit, bohužel v této věci je stále co dělat.

Léčba příčin metabolických onemocnění zatím není možná, protože nejsme schopni bezpečně a efektivně modifikovat genetický materiál k opravě poškozených genů, a tím i nesprávně produkovaných enzymů

Nemoci způsobené dysfunkčními enzymy

Správné fungování našeho těla do značné míry závisí na správném fungování enzymů. V mnoha případech chorobné stavy ovlivňují množství enzymů a způsobují jejich nadměrné uvolňování z buněk nebo naopak jejich nedostatek. Níže jsou uvedeny pouze příklady onemocnění způsobených abnormálními enzymatickými funkcemi, těchto onemocnění je mnohem více.

  • Metabolické bloky nebo metabolická onemocnění

Metabolické bloky neboli metabolická onemocnění jsou skupinou dědičných onemocnění způsobených hromaděním látek v buňce v důsledku nedostatku enzymu odpovědného za jejich metabolismus. Časem nahromaděných substrátů je tolik, že se stávají toxickými pro buňky a celý organismus.

Existuje několik tisíc nemocí, jejich počet odráží mnohostienzymy nacházející se v lidském těle, protože většina genů kódujících enzymy může být ovlivněna metabolickými chorobami.

Příkladem jsou galaktosémie nebo homocystinurie, což jsou vzácná onemocnění, která se nejčastěji projevují bezprostředně po narození nebo v prvních letech života.

  • Nowotwory

Další skupinou nemocí, které mohou zahrnovat poruchu funkce enzymů, je rakovina. Kromě mnoha dalších funkcí jsou za regulaci buněčného dělení zodpovědné také enzymy, tzv. tyrosinkinázy. Pokud tyto enzymy v této oblasti selžou, může dojít k nekontrolovanému dělení buněk a tím k rakovinnému procesu.

  • Emfyzém

Méně častým onemocněním je emfyzém, v tomto případě se elastáza stává hyperaktivní. Je to enzym přítomný v plicní tkáni odpovědný za rozklad proteinu elastinu přítomného mimo jiné v plicích.

Pokud je příliš aktivní, rovnováha mezi ničením a budováním je narušena, dochází k jizvení a rozedmě plic.

Enzymy: diagnostické použití

Moderní lékařská diagnostika je založena na použití enzymů při jejich stanovení. To je způsobeno skutečností, že chorobné stavy přímo nebo nepřímo vedou k nerovnováze enzymů, což způsobuje zvýšení nebo snížení jejich množství v krvi.

To může být způsobeno nejen poruchami produkce, ale také např. uvolněním velkého množství intracelulárního enzymu do krve nebo moči v důsledku poškození jejich buněčné membrány.

Příklady enzymů používaných v laboratorním výzkumu jsou:

  • Kreatinkináza - enzym přítomný ve svalech, také v srdečním svalu, jeho mnohonásobné zvýšení může ukazovat na infarkt, myokarditidu, svalová onemocnění - úrazy, dystrofie
  • Laktátdehydrogenáza - přítomna ve všech buňkách těla, zejména v mozku, plicích, bílých krvinkách a svalech. Jeho velký nárůst je pozorován u srdečního infarktu, onemocnění svalů a jater nebo rakoviny.
  • Alkalická fosfatáza se nachází v největším množství v játrech a kostech, zde ji uvolňují osteoblasty. Nemoci těchto orgánů mohou způsobit její růst, ale nadbytek alkalické fosfatázy může také indikovat proces regenerace kosti - po operaci nebo zlomenině
  • Kyselá fosfatáza se vyskytuje v mnoha orgánech - játra, ledviny, kosti, prostata, z diagnostického hlediska může její zvýšení indikovat onemocnění kostí a prostaty
  • Aminotransferázaasparagin a alaninaminotransferáza - to jsou enzymy charakteristické pro játra, vyskytující se téměř výhradně v hepatocytech, používají se v základní screeningové diagnostice jaterních onemocnění a jejich několikanásobné zvýšení vždy vybízí k další diagnostice jaterních onemocnění
  • Glutamátdehydrogenáza a gamaglutamyltransferáza - další jaterní enzymy, podobně jako výše uvedené, jsou důležité v diagnostice onemocnění tohoto orgánu a žlučových cest
  • Amyláza je enzym přítomný v mnoha orgánech, ale nejvyšší koncentrace je dosahována v buňkách slinivky břišní a slinných žláz, její diagnostika má největší význam u jejich onemocnění
  • Lipáza je další pankreatický enzym, liší se specificitou od amylázy, což znamená, že lipáza je přítomna pouze ve slinivce břišní a odchylky od normy při stanovení tohoto enzymu svědčí pro onemocnění slinivky břišní
  • Cholinesteráza je enzym, který štěpí acetylcholin - přenašeč v nervovém systému, kde je také zastoupen v nejvyšším množství, v diagnostice se používá při otravách organofosforovými sloučeninami.
  • Faktory koagulace a fibrinolýzy - to jsou látky produkované játry podílející se na srážení krve, jejich stanovení je důležité nejen při hodnocení tohoto procesu, ale i při sledování jaterních funkcí
  • Alfa-fetoprotein - jaterní enzym, jehož množství se zvyšuje při onemocněních tohoto orgánu, včetně rakoviny.
  • C-reaktivní protein - produkovaný játry, podílí se na imunitní odpovědi, jeho množství se v krvi zvyšuje při zánětlivých stavech - infekce, poranění, autoimunitní onemocnění
  • Ceruloplasmin – další jaterní enzym, jehož zvýšení je charakteristické pro Wilsonovu chorobu
  • Pyridinolin a deoxypyridinolin jsou markery kostní resorpce (destrukce), charakterizují funkci osteoklastů (osteogenních buněk).
  • Myoglobin - jak již bylo zmíněno dříve, je to sloučenina charakteristická pro svaly, takže jeho zvýšení bude indikovat poškození kosterních nebo srdečních svalů.
  • Troponiny - tzv. markery infarktu, to jsou enzymy, které regulují kontrakci svalových vláken, hojně se vyskytují zejména v srdečním svalu. Jeho poškození způsobuje uvolňování velkého množství troponinů do krve, čehož se využívá při diagnostice srdečních chorob. Je však třeba připomenout, že zvýšení troponinů může svědčit nejen o srdečním infarktu, ale také o jeho nedostatečnosti, chlopenních vadách nebo plicní embolii.

Všechny výše uvedené enzymy lze přiřadit do několika skupin:

  • sekreční enzymy- spodní hranice normy je diagnostická. Jsou to enzymy fyziologicky produkované orgány, ale v případě onemocnění se jejich počet snižuje, např. srážecí faktory
  • indikátor enzymů- růst je důležitý. Tato skupina enzymů se objevuje ve velkém množství kvůli poškození orgánů a úniku enzymů, jako jsou troponiny
  • vylučovací enzymy- to jsou enzymy produkované normálně do lumen různých orgánů - úst, střev a močových cest. Pokud je jejich vývod ucpaný, dostávají se do krve, např. amyláza

Je třeba připomenout, že enzymy se používají v samotné lékařské diagnostice. Biochemické analýzy se provádějí za použití enzymů a vhodná interpretace výsledků enzymatických reakcí umožňuje poskytnout výsledek laboratorního testu

Enzymy a léčba

Mnoho léků působí tak, že ovlivňují působení enzymů, buď tím, že působí, nebo naopak působí jako inhibitory. Při pankreatické insuficienci se používají enzymové náhražky, jako je pankreatin obsahující lipázu a amylázu.

Na druhou stranu některé skupiny léků inhibují působení enzymů, např. inhibitory angiotenzin konvertujícího enzymu používané mj. při hypertenzi a srdečním selhání, nebo některá antibiotika, např. amoxicilin, který inhibuje enzym bakteriální transpeptidázu, která zabraňuje budování bakteriální buněčné stěny a v důsledku toho je infekce inhibována

Některé jedy působí také na enzymy. Kyanid je silný inhibitor cytochromoxidázy, základní složky dýchacího řetězce. Jeho zablokování brání buňce získat energii, což vede k její smrti.

Pro správný průběh životních procesů buněk je nezbytná přítomnost mnoha chemických látek, které mezi sebou zůstávají v přísných poměrech a mezi nimiž neustále probíhají chemické reakce

Tento úkol zajišťují správně fungující enzymy, které jsou nezbytné k tomu, aby téměř každá chemická reakce proběhla s rychlostí a účinností nezbytnou pro správné fungování lidského těla

Působení enzymů urychluje tyto procesy mnohonásobně, často i stokrát, což je důležité, samotné enzymy se při probíhajících reakcích neopotřebují

Nedostatek katalyzátorů nebo jejich nesprávná činnost může mít za následek vznik mnoha nemocí. Na druhou stranu, šikovná modifikace jejich činnosti vám umožní úspěšně léčit mnoho neduhů.

Enzymologie (nauka o enzymech) je extrémně rozsáhlájejí rozvoj může přinést nejen vědecký pokrok, ale také aktivně přispět k rozvoji medicíny nejen z hlediska léčby, ale i diagnostiky

O autoroviLuk. Maciej GrymuzaAbsolvent lékařské fakulty lékařské univerzity K. Marcinkowski v Poznani. Vystudoval vysokou školu s více než dobrým výsledkem. V současné době je lékařem v oboru kardiologie a doktorandem. Zajímá se zejména o invazivní kardiologii a implantabilní přístroje (stimulátory).

Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!

Kategorie:

Výzkum