Fermenti ir būtiski visu Zemes dzīvo organismu pareizai darbībai. Viņi piedalās lielākajā daļā, ja ne visās, ķīmiskajās izmaiņās dabā, tas ir, miljonos reakciju gan augu, gan dzīvnieku pasaulē. Ir vērts uzzināt, kas ir fermenti, kā tie darbojas un kāda ir to nozīme mūsdienu medicīnā.
Satura rādītājs
- Fermenti: struktūra
- Fermentu aktivitātes regulēšana
- Fermenti: loma
- Fermenti: nomenklatūra
- Fermenti un zāles
- Slimības, kas rodas no disfunkcionāliem enzīmiem
- Fermenti: diagnostikas lietošana
- Fermenti un ārstēšana
Fermenti ir olbaltumvielu molekulas, kas paātrina vai pat ļauj notikt dažādām ķīmiskām reakcijām dzīvos organismos, ieskaitot cilvēka ķermeni.
No ķīmiskā viedokļa tie ir katalizatori, t.i., daļiņas, kas pastiprina reakciju, bet reakcijas laikā nenodilst. Šis ķīmisko pārveidojumu efektivitātes pieaugums bieži ir milzīgs, dabiskie katalizatori var saīsināt reakcijas laiku no vairākiem gadiem līdz vairākām sekundēm.
Fermenti ir sastopami visās ķermeņa zonās: šūnās, ārpusšūnu telpā, audos, orgānos un to gaismā katalizatori, ko ražo dotie audi, nosaka to specifiskās īpašības un lomu, ko tie spēlē organismā.
Lielākā daļa enzīmu ir ļoti specifiski, kas nozīmē, ka katrs no tiem ir atbildīgs tikai par vienu ķīmiskās reakcijas veidu, kurā ir iesaistītas īpašas daļiņas - substrāti, un tikai viņi var mijiedarboties ar konkrēto fermentu.
Dabisko katalizatoru aktivitāte ir atkarīga no daudziem faktoriem: reakcijas vides, piemēram, temperatūras, pH, noteiktu jonu klātbūtnes, aktivatoru - tie pastiprina fermentu un inhibitoru darbību, kas neitralizē šo aktivitāti.
Fermenti: struktūra
Kā jau minēts, lielākā daļa enzīmu ir olbaltumvielas, tiem ir ļoti dažāda struktūra: no vairākiem desmitiem aminoskābju līdz vairākiem tūkstošiem, kas izvietoti daudzveidīgā telpiskā struktūrā.
Tas ir to veidošanās veids (tā sauktā kvartāra struktūra) un fakts, ka lielākā daļa enzīmu ir daudz lielāki nekā viņu reakciju reaģenti, lielā mērā ir atbildīgs par viņu aktivitāti.
Tas ir saistīts ar faktu, ka tikai noteikts reģions fermentu struktūrā ir tā sauktā aktīvā vieta, t.i., fragments, kas atbild par reakcijas veikšanu.
Atlikušo molekulas fragmentu uzdevums ir piesaistīt noteiktu substrātu, retāk citus savienojumus, kas ietekmē fermenta darbību.
Ir vērts zināt, ka katalizatora struktūra ir veidota tā, lai savienojošais pamatne būtu ideāli saskaņota "slēdzenes atslēgas" ziņā.
Tāpat kā visas olbaltumvielas, fermentus ribosomās ražo no ģenētiskā materiāla, kas ir cieši iesaiņots kodolā - DNS, tādējādi izveidojot tā saukto primāro struktūru.
Tad tas vairākas reizes tiek salocīts - mainot formu, dažreiz pievienojot cukurus, metāla jonus vai tauku atlikumus.
Visu šo procesu rezultātā veidojas aktīva kvartāra struktūra, t.i., pilnīgi bioloģiski aktīva forma.
Daudzos gadījumos vairākas fermentu daļiņas apvienojas, lai veiktu virkni ķīmisko reakciju un tādējādi paātrinātu procesu.
Gadās, ka vairākos audos ir fermenti, kas katalizē vienu un to pašu reakciju, taču strukturāli tie nav līdzīgi viens otram, mēs tos saucam par izoenzīmiem.
Izoenzīmu nosaukumi ir vienādi, neskatoties uz atrašanās vietas un struktūras atšķirībām, taču šīm atšķirībām ir praktisks pielietojums. Tādējādi laboratorijas testos ir iespējams noteikt tikai tās fermentu frakcijas, kas nāk no noteikta orgāna.
Fermentu darbības mehānismi ir dažādi, taču no ķīmiskā viedokļa to uzdevums vienmēr ir samazināt reakcijas aktivācijas enerģiju. Tas ir enerģijas daudzums, kas substrātiem jābūt, lai process notiktu.
Šo efektu var panākt, izveidojot piemērotu vidi reakcijas veikšanai, izmantojot citu ķīmisko ceļu, lai iegūtu tos pašus produktus, vai piemērotu substrātu telpisko izvietojumu.
Katru no šiem mehānismiem var izmantot fermenti.
Fermentu aktivitātes regulēšana
Fermentu darbība ir atkarīga no vides parametriem: temperatūras, pH un citiem. Katram dabīgajam katalizatoram ir savs optimālais sniegums noteiktos apstākļos, kas var būt ļoti atšķirīgi atkarībā no tā pielaides vides apstākļiem.
Temperatūras gadījumā lielākā daļa fermentatīvo reakciju notiek ātrāk augstākā temperatūrā, bet noteiktā temperatūrā reakcijas efektivitāte strauji pazeminās, ko izraisa fermenta termiskais bojājums (denaturācija).
Pēc to uzbūves hormonus var iedalīt divās grupās:
- vienkārši - tās ir tikai olbaltumvielu daļiņas
- komplekss - kuru aktivitātei nepieciešams piesaistīt olbaltumvielu grupu - kofaktoru
Pēdējiem ir galvenā loma pareizā fermentu darbībā un regulēšanā.
Savukārt kofaktorus var iedalīt divās grupās: tie, kas nepieciešami fermenta darbībai, ir cieši saistīti ar to - tās ir tā sauktās protezēšanas grupas, tās var būt metāli, organiskas molekulas, piemēram, hem.
Otrā grupa ir koenzīmi, tie parasti ir atbildīgi par substrātu vai elektronu pārnesi, un to saistīšanās ar fermentu ir vāja, šajā grupā ietilpst, piemēram, folskābe, koenzīms A. Ir vērts zināt, ka daudzi vitamīni darbojas kā kofaktori.
Inhibitori veic pilnīgi citu uzdevumu, tās ir daļiņas, kas inhibē fermentatīvo aktivitāti, saistoties ar fermentu.
Ir vairāki inhibitoru veidi:
- neatgriezeniski - tie izraisa neatgriezenisku molekulas inaktivāciju, un reakcija var notikt tikai pēc jauna fermenta ražošanas
- konkurētspējīgs - šajā gadījumā inhibitora struktūra ir līdzīga substrātam, tāpēc viņi konkurē par aktīvo vietu. Ja ir pievienots inhibitors, reakcija neizdodas, kamēr substrāts ir normāls
- nekonkurējošs - šādi inhibitori fermentu saista vietā, kas nav substrāta piestiprināšanās, tāpēc tas var pievienoties fermentam, bet reakcija nenotiek
Pie daudz augstākas substrāta nekā inhibitors koncentrācijas konkurējošā inhibitora ietekme tiek pārvarēta, jo tā pāraug "konkurenci" par aktīvo vietu, nekonkurējošā gadījumā tās efektu nevar pārvarēt, palielinot substrāta koncentrāciju.
Papildus aktivatora un inhibitoru sistēmu regulēšanai ir arī daudzas citas fermentu aktivitātes kontroles metodes.
Tie attiecas uz šūnas ražošanas kontroli olbaltumvielu veidošanās līmenī, kā arī tā sauktās pēctranslacionālās apstrādes regulēšanu, t.i., olbaltumvielu molekulas struktūras izmaiņas, kas notiek tūlīt pēc tās sintēzes ribosomā. Šīs modifikācijas ir, piemēram, saīsināt polipeptīdu ķēdi.
Nākamās regulēšanas metodes attiecas uz fermentu segregāciju un izvietošanu atbilstošās zonās: šūnās un noteiktos organoīdos vai ārpusšūnu nodalījumā.
Ir vēl viens svarīgs regulēšanas mehānisms - negatīva atgriezeniskā saite - tā ir primārā kontroles sistēma endokrīnā sistēmā. Tas darbojas pēc inhibīcijas principa.
Tas nozīmē, ka, ja ferments ražo pārāk daudz noteikta hormona, tas saistās ar to, izraisot aktivitātes inhibīciju un sintēzes samazināšanos, tāpēc pats reakcijas produkts kavē tā ražošanu.
Fermenti: loma
Katrs cilvēka ķermeņa auds ražo noteiktu fermentu kopumu, kas nosaka šo šūnu lomu ķermeņa darbībā. Kādi ir šie fermenti, nosaka ģenētiskais kods un kuri reģioni ir aktīvi attiecīgajā šūnā.
Cilvēka ķermenī jebkurā laikā notiek tūkstošiem ķīmisko reakciju, un katrai no tām nepieciešams īpašs ferments, tāpēc būtu grūti uzskaitīt visas šīs mūsu ķermenī esošās daļiņas.
Tomēr ir vērts zināt par dažiem raksturīgākajiem:
- Gremošanas fermenti - tos ražo gremošanas sistēmas audi, tie pārtiku sadala vienkāršos savienojumos, jo tikai tos var absorbēt asinīs. Tie ir ārpusšūnu fermenti, tāpēc viņi pilda savu galveno uzdevumu ārpus šūnām, kur tie tiek ražoti. Daži no šiem enzīmiem veidojas neaktīvā formā, tā sauktie proenzīmi vai zimogēni, un tiek aktivizēti kuņģa-zarnu traktā. Gremošanas enzīmi ietver, piemēram, amilāzi, lipāzi, tripsīnu.
- Miozīns ir enzīms, kas atrodams muskuļos, tas noārda ATP molekulas, kas ir enerģijas nesēji, pateicoties kuriem tas izraisa muskuļu šķiedru saraušanos.
- Peroksidāzes ir oksidējoši fermenti un katalāzes, t.i., reducējošie enzīmi
- Acetilholīnesterāze ir ferments, kas noārda acetilholīnu, kas ir viens no nervu sistēmas vēstnešiem
- Monoamīnoksidāze ir enzīms, kas visvairāk sastopams aknās, un tas ir atbildīgs par adrenalīna, norepinefrīna un dažu zāļu sadalīšanos.
- Citohoma oksidāze, ļoti svarīgs intracelulārs ferments, kas atbild par enerģijas izmaiņām
- Lizocīms, viela, kas atrodas, piemēram, asarās vai siekalās, kas pilda aizsargfunkcijas, iznīcina patogēnus
- Alkohola dehidrogenāze - ferments aknās, kas atbild par etanola šķelšanu
- Sārmainā fosfatāze, piedalās osteoblastu kaulu veidošanā
Fermenti: nomenklatūra
Fermentu nosaukumi bieži ir diezgan sarežģīti, jo tie ir atvasināti no to veiktās reakcijas nosaukuma un šajā reakcijā iesaistītā substrāta, piemēram, 5-hidroksitriptofāna dekarboksilāzes.
Parasti reakcijas vispārīgajam nosaukumam pievieno piedēkli "-aza", un fermenta nosaukuma otrā daļa veido savienojuma nosaukumu, kas iziet šo reakciju.
Gadās, ka nosaukums ir viens, tad tas nāk no substrāta, piemēram, laktāzes (enzīms, kas noārda laktozi).
Retāk fermentu nosaukumi rodas no vispārēja procesa, kas notiek ar to līdzdalību, piemēram, DNS žirāze, ferments, kas ir atbildīgs par DNS virkņu rotēšanu.
Dažiem fermentiem galu galā ir vispārpieņemti nosaukumi vai tie, kurus devis to atklājējs, piemēram, pepsīns (kas noārda olbaltumvielas gremošanas traktā) vai lizocīms (baktericīds ferments, ko satur asaras).
Ir arī neliela ierobežojošo enzīmu grupa, kas ir atbildīga par DNS virkņu sagriešanu, šajā gadījumā nosaukums nāk no mikroorganisma, no kura ferments tika izolēts.
Starptautiskā bioķīmijas un molekulārās bioloģijas savienība ieviesa noteikumus par fermentu nosaukšanu un sadalīja tos vairākās klasēs, lai standartizētu nomenklatūru.
Tas neaizstāja iepriekš aprakstītos nosaukumus, tas drīzāk ir papildinājums, ko galvenokārt izmanto zinātnieki.
Saskaņā ar Eiropas Savienības noteikumiem katru fermentu raksturo rakstzīmju secība: EC x.xx.xx.xx - kur pirmais cipars apzīmē klasi, nākamās apakšklases un apakšklases un visbeidzot fermenta numurs. Minētās fermentu klases ir:
• 1 - oksidoreduktāzes: katalizē oksidēšanās un reducēšanās reakcijas
• 2 - transferāzes: pārvieto funkcionālās grupas (piemēram, fosfātu)
• 3 - hidrolāzes: atbilst saišu hidrolīzei (sadalīšanai)
• 4 - liāzes: saites pārrauj citā mehānismā nekā hidrolīze
• 5 - izomerāzes: tās ir atbildīgas par molekulu telpiskajām izmaiņām
• 6 - ligāzes: savienojiet molekulas ar kovalentām saitēm
Fermenti un zāles
Fermentu nozīme cilvēku veselībai ir milzīga. To pareiza darbība nodrošina veselīgu dzīvi, un, pateicoties analītisko ierīču attīstībai, mēs esam iemācījušies diagnosticēt dažādas slimības, izmantojot fermentu noteikšanu. Vēl vairāk - mēs spējam veiksmīgi novērst dažu enzīmu trūkumu un no tā izrietošās slimības, taču diemžēl šajā jautājumā vēl ir daudz darāmā.
Metabolisko slimību cēloņu ārstēšana vēl nav iespējama, jo mēs nespējam droši un efektīvi modificēt ģenētisko materiālu, lai atjaunotu bojātos gēnus un tādējādi nepareizi ražotus enzīmus.
Slimības, kas rodas no disfunkcionāliem enzīmiem
Pareiza mūsu ķermeņa darbība lielā mērā ir atkarīga no fermentu pareizas darbības. Daudzos gadījumos slimības stāvokļi ietekmē fermentu daudzumu, izraisot to pārmērīgu izdalīšanos no šūnām vai, gluži pretēji, trūkumu.Tālāk ir tikai piemēri slimībām, ko izraisa patoloģiskas fermentatīvās funkcijas, to ir daudz vairāk.
- Metabolisma bloki vai vielmaiņas slimības
Metabolisma bloki vai vielmaiņas slimības ir iedzimtu slimību grupa, ko izraisa vielu uzkrāšanās šūnā, jo trūkst fermenta, kas būtu atbildīgs par vielmaiņu. Laika gaitā uzkrāto substrātu ir tik daudz, ka tie kļūst toksiski šūnām un visam organismam.
Šīs slimības ir vairāki tūkstoši, to skaits atspoguļo daudzo fermentu daudzumu, kas atrodams cilvēka ķermenī, jo vielmaiņas slimības var ietekmēt lielāko daļu gēnu, kas kodē fermentus.
Piemēri ir galaktozēmija vai homocistinūrija, kas ir retas slimības, kas visbiežāk izpaužas tūlīt pēc piedzimšanas vai pirmajos dzīves gados.
- Audzēji
Vēl viena slimību grupa, kurā var būt iesaistīti fermentu darbības traucējumi, ir vēzis. Papildus daudzām citām funkcijām fermenti ir atbildīgi arī par šūnu dalīšanās, tā saukto tirozīna kināžu, regulēšanu. Ja šie fermenti šajā zonā neizdodas, var notikt nekontrolēta šūnu dalīšanās un līdz ar to neoplastisks process.
- Emfizēma
Retāk sastopama slimība ir emfizēma, šajā gadījumā elastāze kļūst pārāk aktīva. Tas ir ferments, kas atrodas plaušu audos, kas cita starpā ir atbildīgs par plaušās esošā elastīna proteīna sadalīšanos.
Ja tas ir pārāk aktīvs, tiek sabojāts līdzsvars starp iznīcināšanu un celtniecību, rodas rētas un attīstās emfizēma.
Fermenti: diagnostikas lietošana
Mūsdienu medicīniskās diagnostikas pamatā ir fermentu izmantošana to noteikšanā. Tas ir saistīts ar faktu, ka slimības stāvokļi tieši vai netieši noved pie fermentu nelīdzsvarotības, izraisot to daudzuma palielināšanos vai samazināšanos asinīs.
Tas var rasties ne tikai no ražošanas traucējumiem, bet arī, piemēram, no liela šūnu daudzuma enzīma izdalīšanās asinīs vai urīnā tā šūnu membrānas bojājumu rezultātā.
Laboratorijas testos izmantoto enzīmu piemēri ir:
- Kreatīnkināze - enzīms, kas atrodas muskuļos, arī sirds muskuļos, tā daudzkārtējais pieaugums var liecināt par sirdslēkmi, miokardītu, muskuļu slimībām - traumām, distrofiju.
- Laktāta dehidrogenāze - atrodas visās ķermeņa šūnās, īpaši smadzenēs, plaušās, baltajās asins šūnās un muskuļos. Tās lielais pieaugums tiek novērots miokarda infarkta, muskuļu un aknu slimību vai vēža gadījumā.
- Sārmainā fosfatāze galvenokārt atrodas aknās un kaulos, šeit to izdala osteoblasti. Šo orgānu slimības var izraisīt tā augšanu, bet sārmainās fosfatāzes pārpalikums var norādīt arī uz kaulu atjaunošanās procesu - pēc operācijas vai lūzuma.
- Skābā fosfatāze rodas daudzos orgānos - aknās, nierēs, kaulos, prostatā, no diagnostikas viedokļa tās palielināšanās var liecināt par kaulu un prostatas slimībām.
- Aspartāta aminotransferāze un alanīna aminotransferāze - tie ir aknām raksturīgi fermenti, kas sastopami gandrīz tikai hepatocītos, tos izmanto aknu slimību pamata skrīninga diagnostikā, un to vairākkārtēja vērtību palielināšanās vienmēr liek turpināt diagnosticēt aknu slimības.
- Glutamāta dehidrogenāze un gammaglutamiltransferāze - citi aknu enzīmi, līdzīgi kā iepriekš minētie, ir svarīgi šī orgāna un žults ceļu slimību diagnostikā.
- Amilāze ir ferments, kas atrodas daudzos orgānos, bet vislielākā koncentrācija tiek sasniegta aizkuņģa dziedzera un siekalu dziedzeru šūnās, to diagnosticēšanai ir vislielākā nozīme viņu slimībās.
- Lipāze ir vēl viens aizkuņģa dziedzera ferments, tas pēc specifikas atšķiras no amilāzes, kas nozīmē, ka lipāze ir tikai aizkuņģa dziedzerī un novirzes no normas, nosakot šo fermentu, norāda uz aizkuņģa dziedzera slimībām.
- Holīnesterāze ir ferments, kas noārda acetilholīnu - nervu sistēmas raidītāju, kur to ir arī vislielākajā daudzumā, diagnostikā to lieto saindēšanās gadījumā ar fosfora organiskajiem savienojumiem.
- Koagulācijas un fibrinolīzes faktori - tās ir vielas, ko ražo aknas, kas iesaistītas asins recēšanā, to noteikšana ir svarīga ne tikai šī procesa novērtēšanā, bet arī aknu darbības uzraudzībā.
- Alfa-fetoproteīns - aknu ferments, kura daudzums palielinās šī orgāna slimībās, ieskaitot vēzi.
- C-reaktīvais proteīns - ko ražo aknas, kas iesaistīts imūnreakcijā, tā daudzums asinīs palielinās iekaisuma apstākļos - infekcijas, traumas, autoimūnas slimības.
- Ceruloplazmīns - vēl viens aknu ferments, kura palielināšanās ir raksturīga Vilsona slimībai.
- Piridinolīns un dezoksipiridinolīns ir kaulu rezorbcijas (iznīcināšanas) marķieri, un tie raksturo osteoklastu (osteogēno šūnu) darbību.
- Mioglobīns - kā minēts iepriekš, tas ir muskuļiem raksturīgs savienojums, tāpēc tā palielināšanās parādīs skeleta vai sirds muskuļu bojājumus.
- Troponīni - tā sauktie sirdslēkmes marķieri, ir fermenti, kas regulē muskuļu šķiedru kontrakciju, īpaši daudz to ir sirds muskuļos. Tās bojājumi izraisa liela daudzuma troponīnu izdalīšanos asinīs, ko izmanto sirds slimību diagnostikā. Ir vērts atcerēties, ka troponīnu palielināšanās var liecināt ne tikai par sirdslēkmi, bet arī par tā nepietiekamību, vārstuļu defektiem vai plaušu emboliju.
Visus iepriekš uzskaitītos fermentus var iedalīt vairākās grupās:
- Sekrēcijas enzīmi - normas apakšējā robeža ir diagnostiska. Tie ir fermenti, kurus fizioloģiski ražo orgāni, bet slimību gadījumā to skaits samazinās, piemēram, sarecēšanas faktori
- Indikatoru fermenti - svarīga ir izaugsme. Šī fermentu grupa parādās lielā skaitā orgānu bojājumu un fermentu noplūdes dēļ, to skaitā ir, piemēram, troponīni
- ekskrēcijas enzīmi - tie ir fermenti, kas parasti tiek ražoti dažādu orgānu - mutes, zarnu un urīnceļu - lūmenā. Ja to izeja ir bloķēta, viņi nokļūst asinīs, piemēram, amilāzē
Ir vērts atcerēties, ka enzīmi tiek izmantoti pašā medicīniskajā diagnostikā. Bioķīmiskās analīzes tiek veiktas, izmantojot fermentus, un atbilstoša fermentatīvo reakciju rezultātu interpretācija ļauj iegūt laboratorijas testa rezultātus.
Fermenti un ārstēšana
Daudzas zāles darbojas, ietekmējot enzīmu darbību, vai nu izraisot to darbību, vai, gluži pretēji, esot inhibitoriem. Aizkuņģa dziedzera nepietiekamības gadījumā ir tādi fermentu aizstājēji kā pankreatīns, kas satur lipāzi un amilāzi.
No otras puses, dažas zāļu grupas kavē enzīmu darbību, piemēram, angiotenzīnu konvertējošā enzīma inhibitorus, ko cita starpā lieto hipertensijas un sirds mazspējas gadījumā, vai dažas antibiotikas, piemēram, amoksicilīnu, kas nomāc fermentu baktēriju transpeptidāzi, kas novērš baktēriju šūnu sienas veidošanos, un rezultātā nomāc infekcija.
Dažas indes darbojas arī, ietekmējot fermentus. Cianīds ir spēcīgs citohroma oksidāzes inhibitors, kas ir būtiska elpošanas ķēdes sastāvdaļa. Tā bloķēšana neļauj šūnai iegūt enerģiju, kas noved pie tās nāves.
Šūnu dzīves procesu pareizai norisei ir nepieciešams daudzu ķīmisko vielu klātbūtne, paliekot stingrā proporcijā savā starpā un starp kurām pastāvīgi notiek ķīmiskās reakcijas.
Šo uzdevumu veic pareizi funkcionējoši fermenti, kas nepieciešami, lai gandrīz jebkura ķīmiskā reakcija notiktu ar ātrumu un efektivitāti, kas nepieciešama cilvēka ķermeņa pareizai darbībai.
Fermentu darbība paātrina šos procesus daudzas reizes, bieži vien pat simtiem reižu, kas ir svarīgi, paši fermenti notiekošo reakciju laikā nenodilst.
Katalizatoru trūkums vai to neatbilstoša darbība var izraisīt daudzu slimību parādīšanos. No otras puses, prasmīga viņu darbības pārveidošana ļauj veiksmīgi ārstēt daudzas kaites.
Enzimoloģija (zinātne par fermentiem) ir ārkārtīgi plaša, un tās attīstība var dot ne tikai zinātnes progresu, bet arī aktīvi veicināt medicīnas attīstību ne tikai ārstēšanas, bet arī diagnostikas jomā.
Par autoru
