Padėkite kurti svetainę ir pasidalykite straipsniu su draugais!

Fermentai yra būtini tinkamam visų gyvų organizmų Žemėje funkcionavimui. Jie dalyvauja daugumoje, jei ne visuose, cheminiuose gamtos pokyčiuose, tai yra milijonuose reakcijų tiek augalų, tiek gyvūnų pasaulyje. Verta pasidomėti, kas yra fermentai, kaip jie veikia ir kokia jų reikšmė šiuolaikinei medicinai

Fermentaiyra b altymų molekulės, kurios pagreitina ar net leidžia gyvuose organizmuose, įskaitant žmogaus kūną, vykti įvairioms cheminėms reakcijoms

Cheminiu požiūriu tai yra katalizatoriai, t.y. dalelės, kurios sustiprina reakciją, bet reakcijos metu nesusidėvi. Šis cheminių virsmų efektyvumo padidėjimas dažnai yra didžiulis, natūralūs katalizatoriai gali sutrumpinti reakcijos laiką nuo kelerių metų iki kelių sekundžių.

Fermentai randami visose kūno vietose: ląstelėse, tarpląstelinėje erdvėje, audiniuose, organuose ir jų šviesoje, tam tikro audinio gaminami katalizatoriai lemia jo specifines savybes ir jo vaidmenį kūnas.

Dauguma fermentų yra labai specifiniai, o tai reiškia, kad kiekvienas iš jų yra atsakingas tik už vieno tipo cheminę reakciją, kurioje dalyvauja specifinės dalelės – substratai, ir tik jie gali sąveikauti su tam tikru fermentu.

Natūralių katalizatorių aktyvumas priklauso nuo daugelio veiksnių: reakcijos aplinkos, pvz., temperatūros, pH, tam tikrų jonų buvimo, aktyvatoriai – jie sustiprina fermentų ir inhibitorių, kurie neutralizuoja šį aktyvumą, veikimą.

Fermentai: struktūra

Kaip minėta, dauguma fermentų yra b altymai, jų struktūra labai įvairi: nuo kelių dešimčių aminorūgščių iki kelių tūkstančių, išsidėsčiusių įvairioje erdvinėje struktūroje.

Tai yra jų susidarymo forma (vadinamoji ketvirtinė struktūra), o tai, kad dauguma fermentų yra daug didesni už jų reakcijų reagentus, daugiausia lemia jų aktyvumą.

Taip yra dėl to, kad tik tam tikra sritis fermentų struktūroje yra vadinamoji aktyvioji vieta, t. y. fragmentas, atsakingas už reakcijos vykdymą.

Likusių molekulės fragmentų užduotis – pritvirtinti specifinį substratą, rečiau kitus junginius, turinčius įtakos fermento aktyvumui

Gera žinoti, kad statybakatalizatorius yra suprojektuotas taip, kad sujungimo pagrindas būtų idealiai suderintas geometriškai, kaip „raktas nuo spynos“.

Kaip ir visi b altymai, fermentai gaminami ribosomose iš genetinės medžiagos, kuri yra sandariai supakuota į branduolį – DNR, taip sukuriant vadinamąją pirminę struktūrą

Tada jis kelis kartus sulankstomas – keičiama forma, kartais pridedama cukraus, metalo jonų ar riebalų likučių.

Visų šių procesų rezultatas yra aktyvios ketvirtinės struktūros, t. y. visiškai biologiškai aktyvios formos, susidarymas.

Daugeliu atvejų kelios fermentų dalelės susijungia ir atlieka daugybę cheminių reakcijų ir taip pagreitina procesą.

Kartais keliuose audiniuose yra fermentų, kurie katalizuoja tą pačią reakciją, bet nėra struktūriškai panašūs vienas į kitą, vadiname juos izofermentais.

Izofermentų pavadinimai yra vienodi, nepaisant skirtingos vietos ir struktūros, tačiau šie skirtumai turi praktinį pritaikymą. Dėl to laboratoriniais tyrimais galima nustatyti tik tas fermento frakcijas, kurios yra iš konkretaus organo.

Fermentų veikimo mechanizmai yra įvairūs, tačiau cheminiu požiūriu jų užduotis visada yra sumažinti reakcijos aktyvinimo energiją. Tai yra energijos kiekis, kurį substratai turi turėti, kad procesas vyktų.

Šis efektas gali būti pasiektas sukuriant tinkamą aplinką reakcijai, naudojant skirtingą cheminį būdą gauti tuos pačius produktus arba atitinkamą erdvinį substratų išdėstymą.

Kiekvieną iš šių mechanizmų gali naudoti fermentai.

Fermentų aktyvumo reguliavimas

Fermentų veikimas priklauso nuo aplinkos parametrų: temperatūros, pH ir kitų. Kiekvienas natūralus katalizatorius turi optimalų našumą tam tikromis sąlygomis, kurios gali būti skirtingos, atsižvelgiant į jo atsparumą aplinkos sąlygoms.

Temperatūros atveju dauguma fermentinių reakcijų vyksta aukštesnėje temperatūroje, tačiau esant tam tikrai temperatūrai reakcijos efektyvumas smarkiai krenta, o tai sukelia fermento terminis pažeidimas (denatūracija)

Pagal savo struktūrą hormonus galima suskirstyti į dvi grupes:

  • paprasta – tik b altymų dalelės
  • kompleksas – kuriam reikia pridėti neb altyminę grupę – kofaktorius

Pastarieji atlieka pagrindinį vaidmenį tinkamai veikiant ir reguliuojant fermentus.

Kofaktoriai, savo ruožtu, gali būti suskirstyti į dvi grupes: būtinusfermento veikla, stipriai susijusi su juo – tai vadinamosios protezinės grupės, tai gali būti metalai, organinės molekulės, tokios kaip, pavyzdžiui, hemas.

Antroji grupė yra kofermentai, jie dažniausiai yra atsakingi už substratų ar elektronų perdavimą, o jų prisijungimas prie fermento yra silpnas, į šią grupę įeina, pavyzdžiui, folio rūgštis, kofermentas A. Verta žinoti, kad daugelis vitaminų atlieka kofaktorių vaidmenį.

Inhibitoriai atlieka visiškai kitą užduotį, tai dalelės, kurios slopina fermentinį aktyvumą, prisijungdamos prie fermento

Yra keletas inhibitorių tipų:

  • negrįžtami – jie sukelia nuolatinį molekulės inaktyvavimą ir reakcija gali vykti tik pagaminus naują fermentą
  • konkurencingas – šiuo atveju inhibitorius turi panašią struktūrą kaip substrato, todėl jie konkuruoja dėl aktyviosios vietos. Jei yra pritvirtintas inhibitorius, reakcija nevyksta, jei substratas - vyksta įprastai
  • nekonkurencinis – tokie inhibitoriai suriša fermentą kitoje vietoje nei substratas, todėl jis gali prisijungti prie fermento, bet reakcija nevyksta

Esant daug didesnei substrato koncentracijai nei inhibitorius, konkurencinio inhibitoriaus poveikis įveikiamas, nes jis nugali "konkurenciją" dėl aktyviosios vietos, nekonkurencingo atveju jo poveikis negali būti įveikiama didinant substrato koncentraciją.

Be aktyvatoriaus ir inhibitorių sistemų reguliavimo, yra daug kitų fermentų aktyvumo kontrolės metodų.

Jie susiję su ląstelės gamybos kontrole b altymų susidarymo lygiu, taip pat su vadinamojo posttransliacinio apdorojimo reguliavimu, t. y. b altymo molekulės struktūros pokyčiais, atsirandančiais iš karto po jos sintezės ląstelėse. ribosomos. Šios modifikacijos apima, pavyzdžiui, polipeptidinės grandinės sutrumpinimą.

Kiti reguliavimo metodai yra susiję su fermentų atskyrimu ir išdėstymu atitinkamose srityse: ląstelėse ir specifinėse organelėse arba tarpląsteliniame skyriuje.

Yra dar vienas svarbus reguliavimo mechanizmas – neigiamas grįžtamasis ryšys – tai pagrindinė endokrininės sistemos kontrolės sistema. Jis veikia slopinimo principu.

Tai reiškia, kad jei fermentas gamina per daug tam tikro hormono, jis prisijungia prie jo, slopindamas jo aktyvumą ir sumažindamas sintezę, todėl pats reakcijos produktas slopina jo gamybą

Fermentai: vaidmuo

Kiekvienas žmogaus kūno audinys gamina tam tikrą fermentų rinkinį, kuris apibrėžia šių ląstelių vaidmenį organizmo veikloje. Kas yra šie fermentai, nusako genetinis kodas ir kurie regionai yra aktyvūs tam tikroje ląstelėje.

Žmogaus kūne bet kuriuo metu vyksta tūkstančiai cheminių reakcijų, kurių kiekviena reikalauja specifinio fermento, todėl visas šias daleles, esančias mūsų organizme, būtų sunku išvardyti.

Verta žinoti apie kai kuriuos būdingiausius:

  • Virškinimo fermentai- gamina virškinimo sistemos audiniai, jie skaido maistą į paprastus junginius, nes tik šie gali pasisavinti į kraują. Jie yra tarpląsteliniai fermentai, todėl savo pagrindinę užduotį atlieka ne ląstelėse, kuriose jie gaminami. Kai kurie iš šių fermentų susidaro neaktyvia forma, vadinamaisiais profermentais arba zimogenais, ir aktyvuojami virškinimo trakte. Virškinimo fermentai apima, pavyzdžiui, amilazę, lipazę, tripsiną.
  • Miozinasyra raumenyse randamas fermentas, jis skaido ATP molekules, kurios yra energijos nešėjai, todėl raumenų skaidulos susitraukia
  • Peroksidazėsyra oksiduojantys fermentai ir katalazės, t. y. redukuojantys fermentai
  • Acetilcholinesterazėyra fermentas, skaidantis acetilcholiną, vieną iš nervų sistemos pernešėjų
  • Monoamino oksidazėyra labiausiai kepenyse esantis fermentas, atsakingas už adrenalino, noradrenalino ir kai kurių vaistų skaidymą
  • Citochominė oksidazė , labai svarbus viduląstelinis fermentas, atsakingas už energijos transformacijas
  • Lizocimas , pvz., ašarose ar seilėse esanti medžiaga, kuri atlieka apsaugines funkcijas, naikina patogenus
  • Alkoholio dehidrogenazė , kepenų fermentas, atsakingas už etanolio skaidymą
  • Šarminė fosfatazė , dalyvauja kaulų formavimo procese osteoblastais

Fermentai: pavadinimų suteikimas

Fermentų pavadinimai dažnai yra gana sudėtingi, nes yra kilę iš jų vykdomos reakcijos pavadinimo ir toje reakcijoje dalyvaujančio substrato, pvz., 5-hidroksitriptofano dekarboksilazės.

Paprastai prie bendro reakcijos pavadinimo pridedama priesaga „-aza“, o antroji fermento pavadinimo dalis sudaro junginio, kuriame vyksta ši reakcija, pavadinimą.

Kartais pavadinimas yra vienas, jis kilęs iš substrato, pvz., laktazės (fermento, kuris skaido laktozę).

Rečiau fermentų pavadinimai kyla iš bendro proceso, kuris vyksta jiems dalyvaujant, pvz., DNR girazė, fermentas, atsakingas už DNR grandinių pavertimą.

Kai kurie fermentai pagaliau turi bendrus pavadinimus arba pavadinimus, kuriuos suteikė jų atradėjai, pvz., pepsinas (kuris skaido b altymus virškinimo trakte) arba lizocimas (baktericidinis fermentas, esantisašaros).

Taip pat yra nedidelė restrikcijos fermentų, atsakingų už DNR grandžių pjovimą, grupė, šiuo atveju pavadinimas kilęs nuo mikroorganizmo, iš kurio buvo išskirtas fermentas.

Tarptautinė biochemijos ir molekulinės biologijos sąjunga įvedė fermentų pavadinimų suteikimo taisykles ir suskirstė jas į kelias klases, kad standartizuotų nomenklatūrą.

Jis nepakeitė anksčiau aprašytų pavadinimų, tai greičiau priedas, kurį pirmiausia naudoja mokslininkai.

Pagal Europos Sąjungos taisykles kiekvienas fermentas apibūdinamas simbolių seka: EC x.xx.xx.xx – kur pirmasis skaitmuo reiškia klasę, vėlesnius poklasius ir poklasius ir galiausiai fermento numeris. Šios fermentų klasės yra:

• 1 - oksidoreduktazės: jos katalizuoja oksidacijos ir redukcijos reakcijas
• 2 - transferazės: perkelia funkcines grupes (pvz., fosfatą)
• 3 - hidrolazės: atitinka hidrolizę (skilimą) jungčių
• 4 - liazės: nutraukia ryšius kitu mechanizmu nei hidrolizė
• 5 - izomerazės: jos yra atsakingos už erdvinius molekulių pokyčius
• 6 - ligazės: jungia molekules su kovalentiniais ryšiais

Fermentai ir vaistai

Fermentų svarba žmonių sveikatai yra didžiulė. Tinkamas jų veikimas įgalina sveikai gyventi, o sukūrę analitinius prietaisus išmokome diagnozuoti įvairias ligas fermentų nustatymo būdu. Be to, mes galime sėkmingai gydyti kai kurių fermentų trūkumą ir su tuo susijusias ligas, deja, šiuo klausimu dar reikia daug nuveikti.

Medžiagų apykaitos ligų priežasčių gydymas kol kas neįmanomas, nes negalime saugiai ir efektyviai modifikuoti genetinės medžiagos, kad būtų atstatyti pažeisti genai, taigi ir netinkamai gaminami fermentai

Ligos, atsirandančios dėl fermentų sutrikimų

Tinkamas mūsų kūno funkcionavimas labai priklauso nuo tinkamo fermentų veikimo. Daugeliu atvejų ligos paveikia fermentų kiekį, todėl jie per daug išsiskiria iš ląstelių arba, priešingai, jų trūksta. Žemiau pateikiami tik nenormalių fermentinių funkcijų sukeltų ligų pavyzdžiai, yra daug daugiau šių ligų.

  • Metabolizmo blokados arba medžiagų apykaitos ligos

Medžiagų apykaitos blokada arba medžiagų apykaitos ligos – tai grupė paveldimų ligų, kurias sukelia medžiagų kaupimasis ląstelėje, nes trūksta už jų apykaitą atsakingo fermento. Laikui bėgant substratų susikaupia tiek, kad jie tampa toksiški ląstelėms ir visam organizmui.

Yra keli tūkstančiai ligų, jų skaičius atspindi daugumąžmogaus organizme randamų fermentų, nes daugumą fermentus koduojančių genų gali paveikti medžiagų apykaitos ligos.

Pavyzdžiai yra galaktozemija arba homocistinurija, kurios yra retos ligos, dažniausiai pasireiškiančios iškart po gimimo arba pirmaisiais gyvenimo metais.

  • Nowotwory

Kita ligų grupė, kuri gali būti susijusi su netinkamu fermentų funkcionavimu, yra vėžys. Be daugelio kitų funkcijų, fermentai taip pat yra atsakingi už ląstelių dalijimosi reguliavimą, vadinamosios tirozino kinazės. Jei šie fermentai neveikia šioje srityje, gali atsirasti nekontroliuojamas ląstelių dalijimasis, taigi ir vėžinis procesas.

  • Emfizema

Retesnė liga yra emfizema, kurios atveju elastazė tampa pernelyg aktyvi. Tai yra plaučių audinyje esantis fermentas, atsakingas už b altymo elastino skaidymą, be kita ko, plaučiuose.

Jei jis per aktyvus, sutrinka pusiausvyra tarp griovimo ir statybos, susidaro randai ir išsivysto emfizema.

Fermentai: naudojimas diagnostikoje

Šiuolaikinė medicininė diagnostika remiasi fermentų naudojimu juos nustatant. Taip yra dėl to, kad ligos tiesiogiai ar netiesiogiai sukelia fermentų disbalansą, dėl kurio padidėja arba sumažėja jų kiekis kraujyje.

Tai gali atsirasti ne tik dėl gamybos sutrikimų, bet ir, pvz., dėl didelio tarpląstelinio fermento kiekio išsiskyrimo į kraują ar šlapimą dėl jo ląstelės membranos pažeidimo.

Laboratoriniuose tyrimuose naudojamų fermentų pavyzdžiai:

  • Kreatino kinazė – fermentas esantis raumenyse, taip pat ir širdies raumenyje, jo daugkartinis padidėjimas gali rodyti infarktą, miokarditą, raumenų ligas – traumas, distrofiją
  • Laktato dehidrogenazė – yra visose kūno ląstelėse, ypač smegenyse, plaučiuose, b altuosiuose kraujo kūneliuose ir raumenyse. Didelis jo padidėjimas stebimas sergant širdies priepuoliu, raumenų ir kepenų ligomis arba vėžiu.
  • Šarminės fosfatazės didžiausias kiekis randamas kepenyse ir kauluose, čia ją išskiria osteoblastai. Šių organų ligos gali sukelti jo augimą, tačiau šarminės fosfatazės perteklius taip pat gali rodyti kaulo atsinaujinimo procesą – po operacijos ar lūžio.
  • Rūgštinė fosfatazė aptinkama daugelyje organų – kepenyse, inkstuose, kauluose, prostatoje, jos padidėjimas diagnostiniu požiūriu gali rodyti kaulų ir prostatos ligas
  • Aminotransferazėasparaginas ir alanino aminotransferazė – tai kepenims būdingi fermentai, esantys beveik vien tik hepatocituose, naudojami pagrindinėje kepenų ligų patikros diagnostikoje, o jų kelis kartus padidinimas visada skatina tolimesnę kepenų ligų diagnostiką.
  • Glutamato dehidrogenazė ir gamaglutamiltransferazė – kiti kepenų fermentai, panašiai kaip minėti aukščiau, yra svarbūs diagnozuojant šio organo ir tulžies latakų ligas
  • Amilazė yra fermentas, esantis daugelyje organų, tačiau didžiausia koncentracija pasiekiama kasos ir seilių liaukų ląstelėse, jos diagnozė turi didžiausią reikšmę sergant jų ligomis
  • Lipazė yra dar vienas kasos fermentas, specifiškumu ji skiriasi nuo amilazės, vadinasi, lipazės yra tik kasoje, o nukrypimai nuo normos nustatant šį fermentą rodo kasos ligą
  • Cholinesterazė yra acetilcholiną skaidantis fermentas – perdavėjas nervų sistemoje, kur jo taip pat yra didžiausias kiekis, diagnostikoje naudojamas apsinuodijus organiniais fosforo junginiais.
  • Krešėjimo ir fibrinolizės faktoriai – tai kepenyse gaminamos medžiagos, dalyvaujančios kraujo krešėjimui, jų nustatymas svarbus ne tik vertinant šį procesą, bet ir stebint kepenų funkciją
  • Alfa-fetoproteinas – kepenų fermentas, kurio kiekis didėja sergant šio organo ligomis, įskaitant vėžį.
  • C reaktyvusis b altymas – gaminamas kepenyse, dalyvaujantis imuniniame atsake, jo kiekis kraujyje didėja esant uždegiminėms ligoms – infekcijoms, traumoms, autoimuninėms ligoms
  • Ceruloplazminas – dar vienas kepenų fermentas, kurio padidėjimas būdingas Wilsono ligai
  • Piridinolinas ir deoksipiridinolinas yra kaulų rezorbcijos (destrukcijos) žymenys, jie apibūdina osteoklastų (osteogeninių ląstelių) funkciją
  • Mioglobinas – kaip minėta anksčiau, tai raumenims būdingas junginys, todėl jo padidėjimas rodys griaučių ar širdies raumenų pažeidimus.
  • Troponinai – vadinamieji infarkto žymenys, tai fermentai, reguliuojantys raumenų skaidulų susitraukimą, ypač daug jų yra širdies raumenyje. Dėl jo pažeidimo į kraują išsiskiria didelis kiekis troponinų, kurie naudojami diagnozuojant širdies ligas. Tačiau verta prisiminti, kad padidėjęs troponinų kiekis gali rodyti ne tik širdies priepuolį, bet ir jo nepakankamumą, vožtuvų defektus ar plaučių emboliją.

Visi aukščiau išvardyti fermentai gali būti priskirti kelioms grupėms:

  • sekreciniai fermentai- apatinė normos riba yra diagnostinė. Tai fermentai, kuriuos fiziologiškai gamina organai, tačiau sergant ligomis jų skaičius mažėja, pvz., krešėjimo faktoriai
  • indikatorius fermentai- augimas yra svarbus. Šios grupės fermentų atsiranda daug dėl organų pažeidimo ir fermentų nutekėjimo, pvz., troponinų
  • išskyrimo fermentai- tai fermentai, paprastai gaminami į įvairių organų - burnos, žarnyno ir šlapimo takų - spindį. Jei jų išleidimo anga yra užblokuota, jie patenka į kraują, pvz., amilazė

Verta prisiminti, kad fermentai naudojami pačioje medicinos diagnostikoje. Biocheminės analizės atliekamos naudojant fermentus, o tinkamas fermentinių reakcijų rezultatų interpretavimas leidžia pateikti laboratorinio tyrimo rezultatą.

Fermentai ir gydymas

Daugelis vaistų veikia darydami įtaką fermentų veikimui, arba paskatindami juos veikti, arba, priešingai, būdami inhibitoriais. Esant kasos nepakankamumui, yra fermentų pakaitalų, pvz., pankreatino turinčių lipazės ir amilazės.

Kita vertus, tam tikros vaistų grupės slopina fermentų veikimą, pvz., angiotenziną konvertuojančio fermento inhibitoriai, naudojami, be kita ko, hipertenzijai ir širdies nepakankamumui gydyti, arba kai kurie antibiotikai, pvz., amoksicilinas, kuris slopina fermentą bakterinę transpeptidazę, kuris neleidžia formuotis bakterijų ląstelių sienelėms ir dėl to slopinama infekcija.

Kai kurie nuodai taip pat veikia paveikdami fermentus. Cianidas yra stiprus citochromo oksidazės, esminės kvėpavimo grandinės sudedamosios dalies, inhibitorius. Jį užblokavus, ląstelė negauna energijos, todėl ji miršta.

Tinkamam ląstelių gyvybės procesų eigai būtina, kad būtų daug cheminių medžiagų, kurios tarpusavyje išlieka griežtomis proporcijomis ir tarp kurių nuolat vyksta cheminės reakcijos.

Šią užduotį atlieka tinkamai funkcionuojantys fermentai, kurie būtini, kad beveik bet kuri cheminė reakcija vyktų tokiu greičiu ir efektyvumu, kuris būtinas tinkamam žmogaus organizmo funkcionavimui

Fermentų veikimas šiuos procesus pagreitina daug kartų, dažnai net šimtus kartų, o tai svarbu, vykstant reakcijoms patys fermentai nesusidėvi.

Katalizatorių trūkumas arba netinkamas jų veikimas gali sukelti daugelio ligų atsiradimą. Kita vertus, sumanus jų veiklos modifikavimas leidžia sėkmingai išgydyti daugelį negalavimų.

Enzimologija (fermentų mokslas) yra labai plati, ajo plėtra gali atnešti ne tik mokslo pažangą, bet ir aktyviai prisidėti prie medicinos plėtros ne tik gydymo, bet ir diagnostikos požiūriu.

Apie autoriųLankas. Macej GrymuzaMedicinos universiteto Medicinos fakulteto absolventas K. Marcinkovskis Poznanėje. Universitetą baigė labai gerais rezultatais. Šiuo metu jis yra kardiologijos srities gydytojas ir doktorantas. Jį ypač domina invazinė kardiologija ir implantuojami prietaisai (stimuliatoriai).

Padėkite kurti svetainę ir pasidalykite straipsniu su draugais!

Kategorija:

Tyrimai