Enzimi za liziranje. Enzimi u ljudskom tijelu: ovo svi moraju znati! Stanje problema i relevantnost problema
Milioni hemijskih reakcija odvijaju se u ćeliji bilo kojeg živog organizma. Svaki od njih je od velikog značaja, pa je važno održavati brzinu bioloških procesa na visokom nivou. Gotovo svaku reakciju katalizira vlastiti enzim. Šta su enzimi? Koja je njihova uloga u ćeliji?
Enzimi. Definicija
Izraz "enzim" dolazi od latinskog fermentum - kvasac. Mogu se nazvati i enzimima od grčkog enzyme - "u kvascu".
Enzimi su biološki aktivne tvari, tako da se bez njihovog sudjelovanja ne može dogoditi bilo kakva reakcija u ćeliji. Ove tvari djeluju kao katalizatori. Prema tome, svaki enzim ima dva glavna svojstva:
1) Enzim ubrzava biohemijsku reakciju, ali se ne troši.
2) Vrijednost konstante ravnoteže se ne mijenja, već samo ubrzava postizanje ove vrijednosti.
Enzimi ubrzavaju biohemijske reakcije hiljadu, a u nekim slučajevima i milion puta. To znači da će u nedostatku enzimskog aparata svi unutarćelijski procesi praktički prestati, a sama stanica će umrijeti. Stoga je uloga enzima kao biološki aktivnih supstanci velika.
Raznolikost enzima omogućava raznovrsnu regulaciju ćelijskog metabolizma. Mnogi enzimi različitih klasa učestvuju u bilo kojoj kaskadi reakcija. Biološki katalizatori su visoko selektivni zbog specifične konformacije molekula. Pošto su enzimi u većini slučajeva proteinske prirode, oni se nalaze u tercijarnoj ili kvaternarnoj strukturi. Ovo se opet objašnjava specifičnošću molekula.
Funkcije enzima u ćeliji
Glavni zadatak enzima je da ubrza odgovarajuću reakciju. Bilo koja kaskada procesa, od razgradnje vodikovog peroksida do glikolize, zahtijeva prisustvo biološkog katalizatora.
Ispravno funkcioniranje enzima postiže se visokom specifičnošću za određeni supstrat. To znači da katalizator može ubrzati samo određenu reakciju i nikakve druge, čak i vrlo slične. Prema stepenu specifičnosti razlikuju se sljedeće grupe enzima:
1) Enzimi sa apsolutnom specifičnošću, kada se katalizira samo jedna reakcija. Na primjer, kolagenaza razgrađuje kolagen, a maltaza maltozu.
2) Enzimi sa relativnom specifičnošću. To uključuje tvari koje mogu katalizirati određenu klasu reakcija, na primjer, hidrolitičko cijepanje.
Rad biokatalizatora počinje od trenutka kada se njegov aktivni centar pričvrsti za supstrat. U ovom slučaju govore o komplementarnoj interakciji poput brave i ključa. Ovdje mislimo na potpunu podudarnost oblika aktivnog centra sa supstratom, što omogućava ubrzanje reakcije.
Sljedeća faza je sama reakcija. Njegova brzina se povećava zbog djelovanja enzimskog kompleksa. Na kraju, dobijamo enzim koji je povezan sa produktima reakcije.
Završna faza je odvajanje produkta reakcije od enzima, nakon čega aktivni centar ponovo postaje slobodan za sljedeći posao.
Šematski se rad enzima u svakoj fazi može zapisati na sljedeći način:
1) S + E ——> SE
2) SE ——> SP
3) SP ——> S + P, gdje je S supstrat, E je enzim, a P je proizvod.
Klasifikacija enzima
Ogroman broj enzima se može naći u ljudskom tijelu. Sva saznanja o njihovim funkcijama i radu su sistematizirana, a kao rezultat toga nastala je jedinstvena klasifikacija, zahvaljujući kojoj možete lako odrediti čemu je određeni katalizator namijenjen. Ovdje je predstavljeno 6 glavnih klasa enzima, kao i primjeri nekih od podgrupa.
- Oksidoreduktaze.
Enzimi ove klase kataliziraju redoks reakcije. Ukupno je izdvojeno 17 podgrupa. Oksidoreduktaze obično imaju neproteinski dio, predstavljen vitaminom ili hemom.
Među oksidoreduktazama često se nalaze sljedeće podgrupe:
a) Dehidrogenaze. Biohemija enzima dehidrogenaze uključuje uklanjanje atoma vodika i njihov prijenos na drugi supstrat. Ova podgrupa se najčešće nalazi u reakcijama disanja i fotosinteze. Dehidrogenaze nužno sadrže koenzim u obliku NAD/NADP ili flavoproteina FAD/FMN. Često se nalaze joni metala. Primjeri uključuju enzime kao što su citokrom reduktaza, piruvat dehidrogenaza, izocitrat dehidrogenaza, kao i mnogi enzimi jetre (laktat dehidrogenaza, glutamat dehidrogenaza, itd.).
b) Oksidaze. Brojni enzimi kataliziraju dodavanje kisika vodiku, uslijed čega produkti reakcije mogu biti voda ili vodikov peroksid (H 2 0, H 2 0 2). Primjeri enzima: citokrom oksidaza, tirozinaza.
c) Peroksidaze i katalaze su enzimi koji katalizuju razgradnju H 2 O 2 na kisik i vodu.
d) Oksigenaze. Ovi biokatalizatori ubrzavaju dodavanje kisika supstratu. Dopamin hidroksilaza je jedan primjer takvih enzima.
2. Transferaze.
Zadatak enzima ove grupe je da prenesu radikale sa donorske supstance na supstancu primaoca.
a) Metiltransferaze. DNK metiltransferaze su glavni enzimi koji kontrolišu proces replikacije nukleotida i igraju veliku ulogu u regulaciji funkcionisanja nukleinskih kiselina.
b) Aciltransferaze. Enzimi ove podgrupe prenose acil grupu od jednog molekula do drugog. Primeri aciltransferaza: lecitin holesterol aciltransferaza (prenosi funkcionalnu grupu sa masne kiseline na holesterol), lizofosfatidilholin aciltransferaza (prenosi acil grupu na lizofosfatidilholin).
c) Aminotransferaze su enzimi koji učestvuju u konverziji aminokiselina. Primjeri enzima: alanin aminotransferaza, koja katalizuje sintezu alanina iz piruvata i glutamata prijenosom amino grupa.
d) Fosfotransferaze. Enzimi ove podgrupe katalizuju dodavanje fosfatne grupe. Drugi naziv za fosfotransferaze, kinaze, mnogo je češći. Primjeri uključuju enzime kao što su heksokinaze i aspartat kinaze, koje dodaju ostatke fosfora u heksozu (najčešće glukozu) i asparaginsku kiselinu, respektivno.
3. Hidrolaze – klasa enzima koji kataliziraju cijepanje veza u molekulu uz naknadno dodavanje vode. Supstance koje pripadaju ovoj grupi su glavni probavni enzimi.
a) Esteraze - razbijaju etarske veze. Primjer su lipaze, koje razgrađuju masti.
b) Glikozidaze. Biohemija enzima ove serije sastoji se u razaranju glikozidnih veza polimera (polisaharida i oligosaharida). Primjeri: amilaza, saharaza, maltaza.
c) Peptidaze su enzimi koji katalizuju razgradnju proteina u aminokiseline. Peptidaze uključuju enzime kao što su pepsini, tripsin, himotripsin i karboksipeptidaza.
d) Amidaze - cijepaju amidne veze. Primjeri: arginaza, ureaza, glutaminaza, itd. Mnogi enzimi amidaze se nalaze u
4. Liaze su enzimi koji su po funkciji slični hidrolazama, ali za cijepanje veza u molekulima nije potrebna voda. Enzimi ove klase uvijek sadrže neproteinski dio, na primjer, u obliku vitamina B1 ili B6.
a) Dekarboksilaza. Ovi enzimi djeluju na C-C vezu. Primjeri uključuju glutamat dekarboksilazu ili piruvat dekarboksilazu.
b) Hidrataze i dehidrataze su enzimi koji katalizuju reakciju cijepanja C-O veza.
c) Amidin lijaze - uništavaju C-N veze. Primjer: arginin sukcinat liaza.
d) P-O liaza. Takvi enzimi, u pravilu, cijepaju fosfatnu grupu od supstratne tvari. Primjer: adenilat ciklaza.
Biohemija enzima zasniva se na njihovoj strukturi
Sposobnosti svakog enzima su određene njegovom individualnom, jedinstvenom strukturom. Svaki enzim je prije svega protein, a njegova struktura i stepen savijanja igraju odlučujuću ulogu u određivanju njegove funkcije.
Svaki biokatalizator karakterizira prisustvo aktivnog centra, koji je, pak, podijeljen u nekoliko nezavisnih funkcionalnih područja:
1) Katalitički centar je posebna regija proteina preko koje se enzim vezuje za supstrat. U zavisnosti od konformacije proteinske molekule, katalitički centar može poprimiti različite oblike, koji moraju odgovarati supstratu baš kao što brava pristaje ključu. Ova složena struktura objašnjava šta je u tercijarnom ili kvartarnom stanju.
2) Adsorpcioni centar - djeluje kao “držač”. Ovdje se prije svega javlja veza između molekule enzima i molekule supstrata. Međutim, veze koje formira adsorpcijski centar su vrlo slabe, što znači da je katalitička reakcija u ovoj fazi reverzibilna.
3) Alosterični centri mogu se nalaziti kako u aktivnom centru, tako i na cijeloj površini enzima u cjelini. Njihova funkcija je regulacija rada enzima. Regulacija se odvija uz pomoć molekula inhibitora i molekula aktivatora.
Proteini aktivatori, vezujući se za molekul enzima, ubrzavaju njegov rad. Inhibitori, s druge strane, inhibiraju katalitičku aktivnost, a to se može dogoditi na dva načina: ili se molekul veže za alosterično mjesto u području aktivnog mjesta enzima (konkurentska inhibicija), ili se veže za drugu regiju enzima. proteina (nekompetitivna inhibicija). smatra efikasnijim. Na kraju krajeva, time se zatvara mjesto da se supstrat veže za enzim, a ovaj proces je moguć samo u slučaju gotovo potpune podudarnosti oblika molekule inhibitora i aktivnog centra.
Enzim se često sastoji ne samo od aminokiselina, već i od drugih organskih i neorganskih supstanci. Prema tome, apoenzim je proteinski dio, koenzim je organski dio, a kofaktor je neorganski dio. Koenzim može biti predstavljen ugljikohidratima, mastima, nukleinskim kiselinama i vitaminima. Zauzvrat, kofaktor su najčešće pomoćni ioni metala. Aktivnost enzima određena je njegovom strukturom: dodatne tvari uključene u sastav mijenjaju katalitička svojstva. Različite vrste enzima su rezultat kombinacije svih navedenih faktora u formiranju kompleksa.
Regulacija enzima
Enzimi kao biološki aktivne supstance nisu uvek neophodni organizmu. Biohemija enzima je takva da mogu, ako su pretjerano katalizirani, oštetiti živu ćeliju. Da bi se spriječilo štetno djelovanje enzima na organizam, potrebno je nekako regulirati njihov rad.
Pošto su enzimi po prirodi proteini, lako se uništavaju na visokim temperaturama. Proces denaturacije je reverzibilan, ali može značajno utjecati na performanse tvari.
pH takođe igra veliku ulogu u regulaciji. Najveća aktivnost enzima obično se opaža pri neutralnim pH vrijednostima (7,0-7,2). Postoje i enzimi koji rade samo u kiseloj sredini ili samo u alkalnoj sredini. Tako se u ćelijskim lizosomima održava nizak pH, pri čemu je aktivnost hidrolitičkih enzima maksimalna. Ako slučajno uđu u citoplazmu, gdje je okruženje već bliže neutralnom, njihova aktivnost će se smanjiti. Ova zaštita od „samožderanja“ zasniva se na posebnostima rada hidrolaza.
Vrijedi spomenuti značaj koenzima i kofaktora u sastavu enzima. Prisustvo vitamina ili iona metala značajno utiče na funkcionisanje nekih specifičnih enzima.
Nomenklatura enzima
Svi enzimi u tijelu obično se nazivaju ovisno o njihovoj pripadnosti nekoj od klasa, kao i prema supstratu s kojim reagiraju. Ponekad se u nazivu ne koristi jedan, već dva supstrata.
Primjeri naziva nekih enzima:
- Enzimi jetre: laktat dehidrogenaza, glutamat dehidrogenaza.
- Puni sistematski naziv enzima: laktat-NAD+-oksidoreduktaza.
Sačuvani su i trivijalni nazivi koji se ne pridržavaju pravila nomenklature. Primjeri su probavni enzimi: tripsin, himotripsin, pepsin.
Proces sinteze enzima
Funkcije enzima određene su na genetskom nivou. Budući da je molekul, uglavnom, protein, njegova sinteza tačno ponavlja procese transkripcije i translacije.
Sinteza enzima se odvija prema sljedećoj shemi. Prvo, informacija o željenom enzimu se čita iz DNK, što rezultira formiranjem mRNA. Messenger RNA kodira sve aminokiseline koje čine enzim. Regulacija enzima može se desiti i na nivou DNK: ako je proizvod katalizirane reakcije dovoljan, transkripcija gena se zaustavlja i obrnuto, ako postoji potreba za proizvodom, aktivira se proces transkripcije.
Nakon što mRNA uđe u citoplazmu ćelije, počinje sljedeća faza - translacija. Na ribosomima endoplazmatskog retikuluma sintetizira se primarni lanac koji se sastoji od aminokiselina povezanih peptidnim vezama. Međutim, proteinski molekul u primarnoj strukturi još ne može obavljati svoje enzimske funkcije.
Aktivnost enzima zavisi od strukture proteina. Na istom EPS-u dolazi do uvijanja proteina, uslijed čega se formiraju prvo sekundarne, a zatim tercijarne strukture. Sinteza nekih enzima se zaustavlja već u ovoj fazi, ali za aktiviranje katalitičke aktivnosti često je potrebno dodati koenzim i kofaktor.
U određenim područjima endoplazmatskog retikuluma dodaju se organske komponente enzima: monosaharidi, nukleinske kiseline, masti, vitamini. Neki enzimi ne mogu raditi bez prisustva koenzima.
Kofaktor igra ključnu ulogu u formiranju Neke funkcije enzima dostupne su samo kada protein dođe u organizaciju domena. Stoga je za njih veoma važno prisustvo kvartarne strukture, u kojoj je veza između nekoliko proteinskih globula metalni jon.
Višestruki oblici enzima
Postoje situacije kada je potrebno imati nekoliko enzima koji kataliziraju istu reakciju, ali se međusobno razlikuju po nekim parametrima. Na primjer, enzim može raditi na 20 stepeni, ali na 0 stepeni više neće moći da obavlja svoje funkcije. Šta bi živi organizam trebao učiniti u takvoj situaciji na niskim temperaturama okoline?
Ovaj problem se lako rješava prisustvom nekoliko enzima koji katalizuju istu reakciju, ali djeluju u različitim uvjetima. Postoje dvije vrste višestrukih oblika enzima:
- Izoenzimi. Takvi proteini su kodirani različitim genima, sastoje se od različitih aminokiselina, ali kataliziraju istu reakciju.
- Pravi oblici množine. Ovi proteini su transkribovani sa istog gena, ali modifikacija peptida se dešava na ribosomima. Rezultat je nekoliko oblika istog enzima.
Kao rezultat toga, prvi tip višestrukih oblika formira se na genetskom nivou, dok se drugi tip formira na posttranslacionom nivou.
Važnost enzima
U medicini se to svodi na puštanje novih lijekova, koji već sadrže supstance u potrebnim količinama. Naučnici još nisu pronašli način da stimulišu sintezu nedostajućih enzima u organizmu, ali danas su rasprostranjeni lekovi koji mogu privremeno da nadoknade njihov nedostatak.
Različiti enzimi u ćeliji kataliziraju veliki broj reakcija povezanih s održavanjem života. Jedan od ovih enizama su predstavnici grupe nukleaza: endonukleaze i egzonukleaze. Njihov posao je održavanje konstantnog nivoa nukleinskih kiselina u ćeliji i uklanjanje oštećene DNK i RNK.
Ne zaboravite na fenomen zgrušavanja krvi. Kao efikasna zaštitna mjera, ovaj proces kontroliraju brojni enzimi. Glavni je trombin, koji pretvara neaktivni protein fibrinogen u aktivni fibrin. Njegove niti stvaraju neku vrstu mreže koja začepljuje mjesto oštećenja žile, čime se sprječava pretjerani gubitak krvi.
Enzimi se koriste u proizvodnji vina, pivarstvu i proizvodnji mnogih fermentiranih mliječnih proizvoda. Kvasac se može koristiti za proizvodnju alkohola iz glukoze, ali ekstrakt iz njega je dovoljan da se ovaj proces uspješno odvija.
Zanimljive činjenice za koje niste znali
Svi enzimi u tijelu imaju ogromnu masu - od 5000 do 1.000.000 Da. To je zbog prisustva proteina u molekulu. Za poređenje: molekularna težina glukoze je 180 Da, a ugljičnog dioksida samo 44 Da.
Do danas je otkriveno više od 2000 enzima koji su pronađeni u ćelijama različitih organizama. Međutim, većina ovih supstanci još nije u potpunosti proučena.
Enzimska aktivnost se koristi za proizvodnju efikasnih praškova za pranje. Ovdje enzimi obavljaju istu ulogu kao u tijelu: razgrađuju organske tvari, a ovo svojstvo pomaže u borbi protiv mrlja. Preporučljivo je koristiti takav prašak za pranje na temperaturi ne višoj od 50 stepeni, inače može doći do denaturacije.
Prema statistikama, 20% ljudi širom svijeta pati od nedostatka nekog od enzima.
Svojstva enzima su bila poznata jako dugo, ali tek 1897. godine ljudi su shvatili da se ne sam kvasac, već ekstrakt iz njegovih ćelija, može koristiti za fermentaciju šećera u alkohol.
Federalna agencija za obrazovanje
Državna obrazovna ustanova
visoko stručno obrazovanje
Permski državni tehnički univerzitet
Katedra za hemiju i biotehnologiju
sažetak:
Litički enzimi. Lizozim
Izvedeno:
student grupe HTBmPiB-05
Shevchenko I.K.
Supervizor:
dr.sc. Gryaznova D.V.
Perm, 2010
Litički enzimi mikrobnog porijekla 5
Priča o otkriću 5
Lokalizacija i fiziološka uloga bakteriolitičkih enzima u bakterijskim kulturama 6
Utjecaj strukture bakterijskih ćelijskih zidova na litičku sposobnost enzima 7
Peptidoglikan bakterijskih ćelijskih zidova. 8
Specifičnost supstrata bakteriolitičkih enzima 9
Otkriće bakteriolitičkog kompleksa "Lizoamidaza" 10
Izgledi za upotrebu lizoamidaze u medicini 10
LIZOZIM 12
Mehanizam lize 13
Zaključak. 15
Književnost. 16
Uvod.
Problem lize ćelijskih zidova mikroorganizama različitih taksonomskih grupa u cilju povećanja njihove nutritivne vrednosti i dobijanja u nerazgrađenom obliku biološki aktivnih supstanci sadržanih u protoplazmi mikrobnih ćelija je aktuelan i od ekonomskog značaja.Poznato je da razne fizičke i biohemijske metode uništavaju mikrobnu biomasu. Enzimska metoda uništavanja staničnih zidova, za razliku od fizičko-hemijskih metoda, omogućava kontrolirano djelovanje na stanice i ekstrakciju ciljnih produkata iz njih.
Među enzimima koje proizvode mikroorganizmi, posebno mjesto zauzimaju litički enzimi koji kataliziraju biokemijske reakcije uzastopne degradacije strukturnih elemenata mikrobne stanične stijenke.
Upotreba preparata litičkih enzima omogućava intenziviranje oslobađanja mnogih vrijednih fiziološki aktivnih supstanci iz mikrobne biomase: enzima, vitamina, aminokiselina itd. Poznato je da ćelijska stijenka krmnog kvasca sprječava apsorpciju citoplazmatskih tvari iz ćelije kada njome daju životinje. Biomasa krmnog kvasca nakon enzimske lize ćelijskih zidova ima povećanu nutritivnu vrijednost, što omogućava njenu efikasniju upotrebu u proizvodnji stočne hrane, uključujući i kao dio zamjene punomasnog mlijeka za mlade farmske životinje.
Takođe, litički enzimi se mogu koristiti u tehnologijama zaštite životne sredine, u fazama iskorišćavanja mikrobne biomase, koja je otpad mikrobiološke proizvodnje.
Osim toga, nedavno su razvijeni antimikrobni lijekovi na bazi litičkih enzima, uključujući i za liječenje dermatomikoze, koji imaju niz prednosti u odnosu na kemijski sintetizirane fungicide. Pozitivni rezultati su postignuti kada se koriste za liječenje bolesti gastrointestinalnog trakta domaćih životinja. Primjena litičkih enzima obećava u borbi protiv stafilokoknih infekcija i u liječenju zubnog karijesa.
Od posebnog interesa za stvaranje industrijske proizvodnje enzima su termotolerantni mikroorganizmi, uključujući aktinomicete koji proizvode litičke enzime, koji imaju visoku brzinu rasta i otpornost na promjene temperature uzgoja. Takođe je važno da se termotolerantni usjevi često pokažu konkurentnijim u odnosu na mezofilne proizvođače u pogledu inficirane mikroflore.
Litički enzimi mikrobnog porijekla
Poznato je da ćelije bakterija, gljiva i viših biljaka, za razliku od životinjskih ćelija, obično imaju vrlo jake ćelijske zidove. To je zbog potrebe da ovi organizmi izdrže brojne biološke, hemijske i fizičke faktore svog okruženja. Istovremeno, za izvođenje mnogih eksperimenata u oblasti moderne stanične i molekularne biologije, potrebno je imati „gole“ ćelije ovih organizama, lišene debelih ćelijskih zidova. Takve "gole" ćelije, ili "protoplasti", naširoko se koriste za eksperimente stanične fuzije, za razne manipulacije genetskog inženjeringa, itd. U vezi s ovim problemima, veliku pažnju naučnika već dugo privlače specifični enzimi (biološki katalizatori proteinske prirode) koji su u stanju da unište (liziraju) ćelijske zidove bakterija, gljiva i viših biljaka. Inače, razvoj rada na enzimskoj lizi ćelijskih zidova ovih organizama u velikoj je meri povezan sa do sada postignutim napretkom u proučavanju strukture i funkcionisanja površinskih struktura takvih ćelija.Pokazalo se da se enzimi koji uništavaju ćelijski zid (litički) nalaze u značajnim količinama u samim strukturama, u neposrednoj blizini objekata njihovog djelovanja. Takvi enzimi se nazivaju endogeni (intracelularni). Osim toga, utvrđeno je da su neki od litičkih enzima egzogeni, odnosno izlučuju se (oslobađaju) u stanište organizama koji ih formiraju.
Lokalizacija i fiziološka uloga bakteriolitičkih enzima u bakterijskim kulturama
Ako govorimo o lokaciji bakteriolitičkih enzima u bakterijskoj kulturi, onda ih prije svega u tom pogledu treba podijeliti u tri grupe.
Prvu grupu čine lize automobila - bakteriolitički enzimi koji su uvijek prisutni (u aktivnom ili neaktivnom stanju) u samom ćelijskom zidu. Oni sudjeluju u procesu rasta i diferencijacije bakterijskih stanica. U bakterijskoj ćeliji, očigledno, normalno postoji veza između aktivnosti enzima koji uništavaju i sintetiziraju komponente ćelijskog zida. Zaista, do ugrađivanja novosintetiziranih materijala u ćelijski zid ne može doći bez prethodnog cijepanja određenih kemijskih veza.
Procesi lize i biosinteze zida odvijaju se istovremeno sa rastom i razvojem bakterijske ćelije, a tek u kasnijim fazama razvoja, kada se biosintetski procesi smire, a aktivnost litičkih enzima ostaje na istom nivou, dolazi do lize nastaju bakterijske ćelije.
Druga grupa uključuje litički enzimi bakterijskih spora . Aktiviraju se zajedno sa drugim enzimima koji učestvuju u razgradnji biopolimera tokom perioda sporulacije (formiranja spora) i tokom klijanja bakterijskih spora. Ovi enzimi učestvuju u procesima razaranja membrane i kao autolizini u procesima rasta i morfogeneze bakterijske ćelije.
Konačno, treća grupa je ekstracelularni litički enzimi . Njihova biološka uloga očito leži u činjenici da bakterije koje sintetiziraju i luče takve enzime u okoliš imaju prednost u odnosu na druge bakterije, prvenstveno u izvorima hrane. Uništavajući ćelije drugih bakterija, bakterija koja proizvodi litičke enzime koristi aminokiseline, ugljikohidrate i druge komponente lizirane stanice za svoje potrebe. Osim toga, ova grupa bakteriolitičkih enzima ima apsolutno važnu ulogu u zaštiti stanica koje luče ove enzime u okoliš od drugih bakterija koje žive u istoj ekološkoj niši.
Utjecaj strukture ćelijskih zidova bakterija na litičku sposobnost enzima
Sve bakterije se mogu podijeliti u dvije značajno različite grupe: gram-negativne i gram-pozitivne. Razlika je zbog fundamentalno različite strukture staničnih zidova gram-pozitivnih i gram-negativnih bakterija. Kod Gram-pozitivnih bakterija (kao što su stafilokoki ili mikrokoki), ćelijski zid se sastoji od višeslojne strukture debljine 70-80 nm koja se naziva peptidoglikan. Vreća peptidoglikana koja pokriva citoplazmatsku membranu ovih ćelija sastoji se od polisaharidnih lanaca povezanih u jednu mrežu peptidnim mostovima. U gram-pozitivnim bakterijama čini do 80% težine njihovih ćelijskih zidova. Osim peptidoglikana, stanični zidovi ovih bakterija uključuju i negativno nabijene polimere - takozvane teihoične kiseline (od grčkog "teichos" - zid). Neke teihoične kiseline su povezane kovalentno s peptidoglikanskom mrežom, a neke su povezane s lipidima citoplazmatske membrane. U potonjem slučaju nazivaju se lipidteihoične kiseline. Teihoične kiseline, zbog prisustva fosforne kiseline u svom sastavu, osiguravaju stvaranje elektronegativnog naboja na površini stanica gram-pozitivnih bakterija.U nekim gram-pozitivnim bakterijama (na primjer, Staphylococcus aureus), teihoične kiseline se sastoje od nekoliko desetina molekula ribitol fosfata - ribitol teihoične kiseline; u drugim gram-pozitivnim bakterijama ovi biopolimeri se sastoje od molekula glicerol fosfata (glicerol teichoic acid). Teihoične kiseline prisutne su samo u gram-pozitivnim bakterijama.
Glavna razlika u strukturi membrana gram-pozitivnih i gram-negativnih bakterija je prisustvo u potonjoj, pored citoplazmatske, još jedne, takozvane vanjske membrane. Ova struktura, smještena iznad tanke, jedno- do troslojne peptidoglikanske vrećice (8 nm), tipična je dvoslojna membrana, u kojoj je identificirano dosta prilično jedinstvenih komponenti: lipopolisaharidi, lipoproteini, kao i proteini - porini, od kojih se formiraju pore u vanjskoj membrani, omogućavajući prodiranje u ljusku (i iz nje u okolinu) relativno niskomolekularnih spojeva.
Bakteriolitički enzimi ne mogu hidrolizirati peptidoglikanski sloj u cijelim stanicama Gram-negativnih bakterija bez uklanjanja vanjske membrane, što se može postići samo tretiranjem ovih stanica helatnim agensima, deterdžentima ili fizičkim metodama.
Peptidoglikan bakterijskih ćelijskih zidova.
On je prvenstveno odgovoran za održavanje oblika bakterijskih stanica i struktura je koja se uništava djelovanjem bakteriolitičkih enzima. Važno je naglasiti da je peptidoglikan nužno prisutan u svim pravim bakterijama, ali se njegova dostupnost za djelovanje bakteriolitičkih enzima značajno razlikuje između gram-pozitivnih i gram-negativnih bakterija.Kao što je gore spomenuto, peptidoglikan se sastoji od polisaharidnih lanaca i peptidnih mostova koji ujedinjuju cijelu strukturu u jednu „vreću“ koja okružuje vanjski dio bakterijske ćelije. Polisaharidni (glikanski) lanci se formiraju naizmjeničnom dvije „cigle“ - derivata glukoze koji sadrže dušik: N-acetilglukozamina i N-acetilmuramske kiseline - i općenito predstavljaju strukturu nalik hitinu. Ovo je zanimljivo s evolucijske točke gledišta, budući da su hitin i strukture slične hitinu rasprostranjene u gotovo svim predstavnicima živog svijeta (isključujući biljke) i jedan su od najčešćih biopolimera na Zemlji.
Struktura lanaca peptidoglikana glikana kod većine proučavanih bakterija je ista. Peptidni dio peptidoglikana može se značajno razlikovati u različitim bakterijama. Međutim, u svim slučajevima se formira od 4-5 ostataka L- ili D-aminokiselina. Ovi kratki peptidi su, s jedne strane, povezani amidnom vezom sa karboksilom muramske kiseline svojom slobodnom NH2 grupom, a s druge strane, povezani su sa istim kratkim peptidom susjednog glikanskog lanca. Kod gram-pozitivnih bakterija, posebno kod Staphylococcus aureus, peptidi povezani s glikanskim lancima ne vezuju se direktno jedni za druge, već uz sudjelovanje dodatnog peptida, takozvanog mosta za umrežavanje. Kod Staphylococcus aureus, ovaj peptidni most se sastoji od pet molekula najjednostavnije aminokiseline glicina. Prisustvo takvih mostova u strukturi peptidoglikana Gram-pozitivnih bakterija čini da ona izgleda gušće, što je jedan od najvažnijih razloga za zadržavanje boje od strane ovih konkretnih ćelija kada se boje Gramom. Hidroliza (cijepanje vodom) određenih veza u peptidoglikanu dovodi do degradacije ćelijskog zida i lize bakterija.
Supstratna specifičnost bakteriolitičkih enzima
Na osnovu specifičnosti supstrata, bakteriolitički enzimi se dijele u tri tipa.
Prvi tip čine takozvane glikozidaze, koje uništavaju polisaharidne (glikanske) lance. To uključuje N-acetilmuramidazu (lizozim), koja hidrolizira vezu između N-acetilmuramske kiseline i N-acetilglukozamina, i N-glukozaminidazu, koja hidrolizira vezu između N-acetilglukozamina i N-acetilmuramske kiseline.
Drugi tip predstavlja jedan enzim - N-acetilmuramil-L-alanilamidaza (ili jednostavno amidaza), koji cijepa vezu između muramske kiseline polisaharida i peptidnog dijela.
Treći tip uključuje peptidaze koje hidroliziraju peptidne veze peptidoglikana.
Otkriće bakteriolitičkog kompleksa "Lysoamidase"
Godine 1975. u Institutu za biohemiju i fiziologiju mikroorganizama Ruske akademije nauka u Puščinu (na obalama reke Oke) napravljeno je zanimljivo zapažanje. U vodama Oke ispod Puščine, mikrobiolozi G.K. Skrjabin, V.A. Lambina i saradnici otkrili su prilično opsežnu „sterilnu tačku” koja praktično ne sadrži bakterije. Iz uzoraka vode u neposrednoj blizini “mjesta” izolirana je kultura bakterija roda Xanthomonas, koja je u okoliš ispuštala određeni faktor koji je inhibirao rast mnogih bakterija, uključujući i patogene. Biohemičari instituta, pod mojim vodstvom, ustanovili su da je aktivni antibakterijski princip ovog „faktora“ kompleks visokomolekularnih polisaharida, elektronegativno i pozitivno nabijenih enzima. Prečišćeni preparat ovog kompleksa nazvan je lizoamidaza. Već u prvoj fazi njegovog biohemijskog proučavanja ustanovljeno je da sadrži bakteriolitičke enzime sposobne da cijepaju peptidne (ili amidne) veze u peptidoglikanu, što u konačnici dovodi do lize bakterijskih stanica.Izgledi za upotrebu lizoamidaze u medicini
Već u prvoj fazi proučavanja svojstava lijeka lizoamidaze postalo je jasno da se može uspješno koristiti ne samo u biologiji, na primjer, za dobivanje bakterijskih protoplasta bez staničnih zidova (slika 4), već i u medicini. Pokazalo se da je lijek lizoamidaza učinkovito sredstvo u borbi protiv više patogenih mikroorganizama otpornih na antibiotike.Trenutno, jedan od najvažnijih problema u medicini je vrlo brza pojava rezistencije (imuniteta) na antibiotike koji se koriste u medicinskoj praksi kod kliničkih oblika patogenih bakterija. Na primjer, u većini porodilišta kako u Rusiji tako iu drugim zemljama, iz gore navedenih razloga, postaje sve teže boriti se protiv gnojnih infekcija uzrokovanih, posebno, bakterijama poput stafilokoka i streptokoka. Istovremeno, pokazalo se da lijek lizoamidaza vrlo efikasno lizira više sojeva stafilokoka otpornih na antibiotike i drugih gram-pozitivnih patogenih bakterija.
Lizoamidaza učinkovito ubija kliničke sojeve, na koje ne djeluju gotovo svi antibiotici koji se koriste u ruskim klinikama u bilo kojoj koncentraciji. Dalja medicinska, biološka i klinička ispitivanja ovog lijeka dovela su liječnike do zaključka da je lizoamidaza odlično sredstvo za suzbijanje gnojnih infekcija. Može se široko koristiti u gnojnoj hirurgiji, stomatologiji, ginekologiji u liječenju teško zacjeljivih trofičnih ulkusa itd. Trenutno je lijek odobren za upotrebu u medicinskoj praksi, a njegova proizvodnja je uspostavljena u Vyshnevolotsk tvornici enzimskih preparata za medicinske svrhe.
Prilikom medicinskog, biološkog i kliničkog ispitivanja lijeka pokazalo se da ne samo da ima litički učinak na patogene bakterije, već i dobro čisti rane od nekrotičnog (mrtvog) tkiva, a također podstiče zacjeljivanje rana, imaju snažan imunostimulirajući učinak.
Pokazalo se da je efikasno čišćenje rana od nekrotičnih masa (prvenstveno koje se sastoje od denaturiranih proteina) povezano sa prisustvom u preparatu lizoamidaze ne samo bakteriolitičkih enzima, već i proteaza (enzima koji razgrađuju proteine). Imunostimulirajuća aktivnost lizoamidaze je posljedica prisustva polisaharida u lijeku. Prisustvo polisaharida je od fundamentalnog značaja za mogućnost upotrebe lizoamidaze u medicini, jer su bakteriolitički enzimi prisutni u lizoamidazi elektrostatički vezani za polisaharid, što dovodi do njihove značajne stabilizacije. Nakon odvajanja od polisaharida, bakteriolitički enzimi lizoamidaza, kao i njihovi drugi ranije poznati analozi, gube svoju enzimsku aktivnost nakon nekoliko dana. Kao dio lizoamidaze, ovi enzimi zadržavaju svoju aktivnost na hladnoći praktički nepromijenjenu nekoliko godina, što je obavezan zahtjev za medicinske preparate.
LIZOZIM
Lizozim (muramidaza) je antibakterijski agens, enzim iz klase hidrolaze koji uništava ćelijske zidove bakterija hidrolizom muramilglukozamina u ćelijskom zidu gram-pozitivnih bakterija. Lizozim se nalazi prvenstveno na mjestima gdje životinjski organizam dolazi u kontakt sa okolinom – u sluzokoži gastrointestinalnog trakta, suznoj tečnosti, majčinom mlijeku, pljuvački, nazofaringealnoj sluzi itd. Lizozim se u velikim količinama nalazi u pljuvački, što objašnjava njegova antibakterijska svojstva. U majčinom mlijeku, koncentracija lizozima je vrlo visoka (oko 400 mg/l). Ovo je mnogo više nego u kravljem mlijeku. Istovremeno, koncentracija lizozima u majčinom mlijeku se s vremenom ne smanjuje, već šest mjeseci nakon rođenja djeteta počinje rasti.Otkrio ga je 1922. godine Alexander Fleming u sluzi iz nosne šupljine, a zatim pronađen u mnogim tkivima i tekućinama ljudskog tijela (hrskavica, slezina, leukociti, suze), u biljkama (kupus, repa, rotkvica, hren), u nekim bakterijama i fagi i, u najvećoj količini u bjelanjku jajeta. Lizozimi iz različitih izvora razlikuju se po strukturi, ali su slični u djelovanju. Lizozim bjelanjka je prvi enzim za koji je analizom rendgenske difrakcije utvrđena trodimenzionalna struktura i otkrivena je veza između strukture i mehanizma djelovanja (1965.); Ove studije su značajan doprinos razumijevanju mehanizama enzimske katalize općenito.
Lizozim je protein sa molekulskom težinom od oko 14.000; jedan polipeptidni lanac sastoji se od 129 aminokiselinskih ostataka i presavijen je u kompaktnu globulu (30 × 30 × 45 Å). Trodimenzionalnu konformaciju polipeptidnog lanca održavaju 4 disulfidne (- S - S -) veze. (Ima ih 3 u lizozimu ljudskog mleka, 2 u bjelancu guščjeg jajeta, a nema ih u lizozimu faga T4; što je više disulfidnih grupa, to je lizozim stabilniji, ali manje aktivan.) Lizozimska globula. sastoji se od dva dijela odvojena razmakom; u jednom dijelu većina aminokiselina (leucin, izoleucin, triptofan i dr.) sadrži hidrofobne grupe, u drugom dominiraju aminokiseline (lizin, arginin, asparaginska kiselina itd.) sa polarnim grupama. Polaritet okoline utiče na jonizaciju dve karboksilne grupe (- COOH) koje se nalaze na površini molekulskog jaza sa različitih strana (vidi sliku). Lizozim djeluje na jednu od glavnih komponenti bakterijskog zida - kompleksni polisaharid koji se sastoji od dvije vrste amino šećera. Polisaharid se sorbira na molekulu lizozima u procjepu na granici njegovih hidrofobnih i hidrofilnih dijelova na način da se za enzim veže 6 prstenova amino šećera, a jedna od glikozidnih veza koja ih povezuje (između 4 i 5 prstena) je između karboksila. Zbog interakcije između karboksila lizozima i atoma koji formiraju glikozidnu vezu, kao i distorzije uglova veze supstrata, dolazi do aktivacije i cijepanja veze. To dovodi do uništenja membrane bakterijske stanice.
Rice. Struktura lizozima. (N. A. Kravčenko)
Mehanizam lize
Enzim napada peptidoglikane (posebno murein), koji su dio ćelijskih zidova bakterija (posebno gram-pozitivnih). Lizozim hidrolizira (1,4)-glikozidnu vezu između N-acetilmuramske kiseline i N-acetilglukozamina. U ovom slučaju, peptidoglikan se vezuje za aktivni centar enzima (u obliku džepa) koji se nalazi između njegova dva strukturna domena. Molekul supstrata na aktivnom mjestu usvaja konformaciju blisku onoj u prijelaznom stanju. Prema Phillipsovom mehanizmu, lizozim se vezuje za heksasaharid, a zatim pretvara 4. ostatak u lancu u konformaciju twist stolice. U ovom stresnom stanju, glikozidna veza se lako prekida.Ostaci glutaminske kiseline (Glu35) i asparaginske kiseline (Asp52) su kritični za funkciju enzima. Glu35 djeluje kao donor protona kada je glikozidna veza supstrata prekinuta, uništavajući vezu, a Asp52 djeluje kao nukleofil u formiranju intermedijera - glikozilnog enzima. Glikozilni enzim tada reagira s molekulom vode, uzrokujući da se enzim vrati u prvobitno stanje i formira proizvod hidrolize.
Aplikacija
Lijek lizozim koristi se u liječenju očiju, nazofarinksa, desni, opekotina, u akušerstvu itd. Registrovan je u prehrambenoj industriji kao aditiv za hranu E1105.
Zaključak.
Prikazani podaci ukazuju na važnu ulogu koju imaju bakteriolitički enzimi u životu bakterija i bakterijskih zajednica koje se nalaze u istoj ekološkoj niši.Na primjeru lijeka lizoamidaze i lizozima, prikazani su izgledi za korištenje bakteriolitičkih enzima kao djelotvornog terapeutskog sredstva za borbu protiv patogenih bakterija, uključujući i multirezistentne na antibiotike.
Uprkos velikom interesovanju za problem enzimske lize mikroorganizama, u Rusiji ne postoji industrijska proizvodnja preparata litičkih enzima. Stoga je relevantno i obećavajuće proučavanje uslova za biosintezu litičkih enzima i razvoj tehnologije za dobijanje preparata litičkih enzima za upotrebu u različitim sektorima nacionalne privrede i medicine.
Književnost.
1. Kulaev I.S., Severin A.I., Abramochkin G.V. Bakteriolitički enzimi mikrobnog porijekla u biologiji i medicini // Vestn. Akademija medicinskih nauka SSSR. 1984. br. 8. str. 64-69.2. Savelyev E.P., Petrov G.I. Molekularna osnova strukture bakterijske stanične stijenke // Napredak u biološkoj hemiji. 1978. T. 19. P. 106.
3. Zakharova I.Ya., Pavlova I.N. Litički enzimi mikroorganizama. Kijev: Nauk. Dumka, 1985.
4. Skryabin G.K., Kulaev I.S. Lizoamidaza - izazov za mikrobe // Nauka u SSSR-u. 1990. br. 2. str. 52-53.
5. Kulaev I.S. Bakteriolitički enzimi mikrobnog porijekla u biologiji i medicini. // SOZH, 1997, br. 3, str. 23–31.
6. Phillips D., Trodimenzionalna struktura molekula enzima, u zbirci: Molecules and Cells, trans. sa engleskog, V. 3, M., 1968;
7. Wikipedia: besplatna enciklopedija [Elektronski izvor]. – URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Lysozyme (datum pristupa: 15.05.2010.)
8. Akademici: elektronske enciklopedije [Elektronski izvor]. – URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/103560/lysozyme (datum pristupa: 15.05.2010.)
Enzimi mikrobne sinteze koji razgrađuju proteine i ugljikohidrate
Amilorizin Sh1X i P10X. Osušena kulturna masa gljive Aspergillus avamori. Sadrži pektinesterazu, dekstrinazu, glukoamilazu, kiselu proteazu, celulazu, hemicelulazu. Dodati hrani u količini od 0,015% suhe težine.
Pectavamorin PX, PZH, P10X (Avamorin P). Osušena kulturna masa gljive Aspergillus avamori. Sadrži pektinesterazu, polimetilgalakteronazu, kiselu proteazu, celulazu, hemicelulazu. Dodati hrani u količini od 0,015% suhe težine.
Protosubtilin GZH. Bakterijska proteaza. Dodaje se stočnoj hrani radi bolje apsorpcije proteina, ugljenih hidrata i masti u količini od 0,01% suhe težine.
Kisela proteaza G10X. Proteolitički enzimski preparat dobijen dubokom kultivacijom gljive Aspergillus fostidus OV-208 filtriranjem tečnosti kulture, taloženjem filtrata acetonom i sušenjem u vakuumu. IN
1 g sadrži 100 jedinica. Dodaje se u hranu teladi u količini od
0,2 g/hrana jedinice
Pri liječenju životinja oboljelih od zaraznih bolesti koriste se enzimski preparati koji liziraju komponente stijenke mikroorganizama, koja se sastoji uglavnom od heteroizomo-peptidoglikana, od čega se 95% nalazi u stijenci gram-pozitivnih mikroorganizama (stafilokoka i streptokoka), a samo 10% u zidu gram-negativnih bakterija. Lizu zida mikroorganizama provode tri vrste enzima: amilaze, glikozidaze, proteaze. Proteaze, istovremeno sa lizom proteinskih komponenti zida, aktiviraju intracelularne bakterijske enzime koji izazivaju intracelularnu lizu, čime se pojačava antimikrobni efekat.
U ginekološkoj praksi lizozim se koristi za liječenje pacijenata s folikularnim vestibulitisom, endometritisom i trihomonijazom. Za infektivne patologije kod kojih su etiološki faktor stafilokoki koristi se enzimski preparat lizostatin, a za mikotične lezije porođajnog kanala (kandidijaza, aspergiloza i dr.) propisuje se kopran i bolbit dobijen iz nižih gljiva. Proteolitički enzimi životinjskog (tripsin, himotripsin, pepsin i dr.) i biljnog porijekla djeluju kratko u liječenju gnojno-nekrotičnih procesa. Budući da održive ćelije sadrže mnogo anti-enzimskih spojeva, one nisu podložne lizi.
Imobilisani enzimi su efikasniji. Profenzim je imobiliziran na granulama celuloze topivim u vodi, a kompleksni proteolitički lijek imozin je imobiliziran na polimeru topivom u vodi.
Lizosubtilin G10X (Lysosubtilinum G10X). Svijetlo žuti fini prah, dobro rastvorljiv u vodi. Njegova litička aktivnost se mjeri u jedinicama (1 milion jedinica u 1 g). Prašak se proizvodi u staklenim tubama od 10 g i u vrećama od 500, 1000 i 2000 g.
Koristi se u liječenju endometritisa kod krava. Za ovo
2 miliona jedinica se rastvori u 100 ml destilovane vode i ubrizgava
materice Da bi se spriječila dijareja kod teladi, lijek se dodaje u
kolostrum (mlijeko) 20 g/l 2 puta dnevno tokom 8-10 dana. U medicinske svrhe dodavati 25 g mlijeku 2 puta dnevno do oporavka.
Lizozim GZH (Lysocimum). Svijetlo sivi prah bez mirisa, rastvorljiv u vodi. Enzimski preparat dobijen sušenjem tečnosti kulture proizvođača lizozima. Sadrži proteolitičke enzime.
Proizvode prah pakiran u vreće od 15 kg. Ušao unutra. Kod gram-pozitivnih i gram-negativnih mikroorganizama lizira zid izgrađen od poliaminosaharida. Poboljšava razgradnju i resorpciju hranljivih materija. Jača fagocitnu aktivnost neutrofila i stimuliše proliferativne procese.
Koristi se za tov brojlerskih pilića, dodajući u hranu u količini od 0,3% suhe težine.
Telad se propisuje u kompleksnoj terapiji bronhopneumonije, dijareje, osteodistrofije u dozi od 0,15-0,2 g/kg težine životinje u trajanju od 5-20 dana. Kod liječenja teladi sa distrofijom lijek se dodaje u mlijeko u dozi od 2-4 g/l 3 puta dnevno.
Pepsinorm. Enzimsko-bakterijski preparat.
Proizvode se u dva oblika: pepsinorm-1, sivkasto-žuta tečnost specifičnog mirisa, i pepsinorm-2, kremasta praškasta masa, delimično rastvorljiva u vodi da bi se formirale homogene suspenzije.
Normalizira probavu i eliminira disbiozu zbog prisutnosti bakteriolitičkih i proteolitičkih enzima.
Koristi se za liječenje i prevenciju akutnih gastrointestinalnih bolesti kod novorođenih teladi. U medicinske svrhe 50- " 100 ml tečnosti ili 0,5-1 g suvog pepsinorma pomeša se sa 0,5 litara kolostruma (mleka) i zagreje. Istovremeno se mogu propisati i specifični terapeutski agensi.
Enzimi su posebna vrsta proteina, koji po prirodi imaju ulogu katalizatora za različite hemijske procese.
Ovaj izraz se stalno čuje, međutim, ne razumiju svi što je enzim ili enzim, koje funkcije obavlja ova tvar, kao i po čemu se enzimi razlikuju od enzima i razlikuju li se uopće. Sve ćemo to sada saznati.
Bez ovih supstanci ni ljudi ni životinje ne bi mogli probaviti hranu. I po prvi put, čovječanstvo je pribjeglo korištenju enzima u svakodnevnom životu prije više od 5 hiljada godina, kada su naši preci naučili da pohranjuju mlijeko u "posude" iz želuca životinja. U takvim uslovima, pod uticajem sirila, pretvorio se u sir. A ovo je samo jedan primjer kako enzim djeluje kao katalizator koji ubrzava biološke procese. Danas su enzimi nezamjenjivi u industriji, važni su za proizvodnju kože, tekstila, alkohola, pa čak i betona. Deterdženti i prašci za pranje također sadrže ove korisne tvari - pomažu u uklanjanju mrlja na niskim temperaturama.
Istorija otkrića
Enzim na grčkom znači "kvasac". A otkriće ove supstance čovečanstvo duguje Holanđaninu Janu Baptistu Van Helmontu, koji je živeo u 16. veku. Svojevremeno se jako zainteresovao za alkoholnu fermentaciju i tokom istraživanja pronašao je nepoznatu supstancu koja ubrzava ovaj proces. Holanđanin ga je nazvao fermentum, što znači "fermentacija". Zatim je, gotovo tri stoljeća kasnije, Francuz Louis Pasteur, također promatrajući procese fermentacije, došao do zaključka da enzimi nisu ništa drugo do tvari žive stanice. I nakon nekog vremena, Nijemac Eduard Buchner izvukao je enzim iz kvasca i utvrdio da ta supstanca nije živi organizam. Dao joj je i svoje ime - "zimaza". Nekoliko godina kasnije, drugi Nijemac, Willi Kühne, predložio je da se svi proteinski katalizatori podijele u dvije grupe: enzime i enzime. Štoviše, predložio je da se drugi izraz nazove "kiselo tijesto", čije djelovanje seže izvan živih organizama. I tek 1897. godine stavljena je tačka na sve naučne sporove: odlučeno je da se koriste oba termina (enzim i enzim) kao apsolutni sinonimi.
Struktura: lanac hiljada aminokiselina
Svi enzimi su proteini, ali nisu svi proteini enzimi. Kao i drugi proteini, enzimi se sastoje od. A ono što je zanimljivo je da je za stvaranje svakog enzima potrebno od sto do milion aminokiselina, nanizanih poput bisera na konac. Ali ova nit nikada nije ravna - obično je zakrivljena stotine puta. Ovo stvara trodimenzionalnu strukturu jedinstvenu za svaki enzim. U međuvremenu, molekul enzima je relativno velika formacija, a samo mali dio njegove strukture, takozvani aktivni centar, je uključen u biokemijske reakcije.
Svaka aminokiselina je povezana sa drugom specifičnom vrstom hemijske veze, a svaki enzim ima svoj jedinstveni niz aminokiselina. Za stvaranje većine njih koristi se oko 20 vrsta. Čak i manje promjene u sekvenci aminokiselina mogu dramatično promijeniti izgled i "talente" enzima.
Biohemijska svojstva
Iako se u prirodi javlja ogroman broj reakcija uz sudjelovanje enzima, sve se mogu podijeliti u 6 kategorija. Shodno tome, svaka od ovih šest reakcija odvija se pod uticajem određene vrste enzima.
Reakcije koje uključuju enzime:
- Oksidacija i redukcija.
Enzimi uključeni u ove reakcije nazivaju se oksidoreduktaze. Kao primjer, možemo se prisjetiti kako alkoholne dehidrogenaze pretvaraju primarne alkohole u aldehid.
- Reakcija grupnog transfera.
Enzimi koji omogućavaju odvijanje ovih reakcija nazivaju se transferaze. Imaju sposobnost premještanja funkcionalnih grupa s jedne molekule na drugu. To se događa, na primjer, kada alanin aminotransferaze prenose alfa amino grupe između alanina i aspartata. Transferaze takođe pomeraju fosfatne grupe između ATP-a i drugih jedinjenja i stvaraju ostatke od njih.
- Hidroliza.
Hidrolaze uključene u reakciju mogu raskinuti jednostruke veze dodavanjem vodenih elemenata.
- Stvaranje ili uklanjanje dvostruke veze.
Ova vrsta reakcije se odvija nehidrolitičkim putem uz učešće liaze.
- Izomerizacija funkcionalnih grupa.
U mnogim kemijskim reakcijama, položaj funkcionalne grupe se mijenja unutar molekule, ali se sama molekula sastoji od istog broja i vrsta atoma kao i prije početka reakcije. Drugim riječima, supstrat i produkt reakcije su izomeri. Ova vrsta transformacije moguća je pod uticajem enzima izomeraze.
- Formiranje jednostruke veze sa eliminacijom elementa voda.
Hidrolaze prekidaju vezu dodavanjem elemenata vode u molekul. Liaze izvode obrnutu reakciju, uklanjajući vodeni dio iz funkcionalnih grupa. Na ovaj način se stvara jednostavna veza.
Kako djeluju u tijelu
Enzimi ubrzavaju skoro sve hemijske reakcije koje se dešavaju u ćelijama. Oni su vitalni za ljude, olakšavaju probavu i ubrzavaju metabolizam.
Neke od ovih supstanci pomažu u razgradnji prevelikih molekula u manje "komadiće" koje tijelo može probaviti. Drugi, naprotiv, vežu male molekule. Ali, naučno govoreći, enzimi su veoma selektivni. To znači da je svaka od ovih tvari sposobna ubrzati samo određenu reakciju. Molekuli s kojima enzimi "rade" nazivaju se supstrati. Supstrati zauzvrat stvaraju vezu s dijelom enzima koji se zove aktivno mjesto.
Postoje dva principa koji objašnjavaju specifičnost interakcije između enzima i supstrata. U takozvanom modelu “ključ-zaključavanje” aktivni centar enzima zauzima strogo definiranu poziciju u supstratu. Prema drugom modelu, oba učesnika u reakciji, aktivno mesto i supstrat, menjaju svoje oblike da bi se kombinovali.
Bez obzira na princip interakcije, rezultat je uvijek isti - reakcija pod utjecajem enzima se odvija višestruko brže. Kao rezultat ove interakcije, "rađaju se" novi molekuli koji se zatim odvajaju od enzima. A katalizatorska tvar nastavlja obavljati svoj posao, ali uz sudjelovanje drugih čestica.
Hiper- i hipoaktivnost
Postoje slučajevi kada enzimi obavljaju svoje funkcije pogrešnim intenzitetom. Prekomjerna aktivnost uzrokuje prekomjerno stvaranje produkta reakcije i nedostatak supstrata. Rezultat je pogoršanje zdravlja i ozbiljne bolesti. Uzrok hiperaktivnosti enzima može biti ili genetski poremećaj ili višak vitamina ili vitamina koji se koriste u reakciji.
Nedostatak enzima može čak uzrokovati i smrt kada, na primjer, enzimi ne uklanjaju toksine iz tijela ili ako dođe do nedostatka ATP-a. Uzrok ovog stanja mogu biti i mutirani geni ili, obrnuto, hipovitaminoza i nedostatak drugih nutrijenata. Osim toga, niža tjelesna temperatura na sličan način usporava rad enzima.
Katalizator i još mnogo toga
Danas često možete čuti o prednostima enzima. Ali koje su to supstance od kojih zavisi rad našeg organizma?
Enzimi su biološki molekuli čiji životni ciklus nije definiran rođenjem i smrću. Oni jednostavno rade u tijelu dok se ne rastvaraju. U pravilu se to događa pod utjecajem drugih enzima.
Tokom biohemijske reakcije ne postaju dio konačnog proizvoda. Kada se reakcija završi, enzim napušta supstrat. Nakon toga, supstanca je spremna da ponovo počne da radi, ali na drugom molekulu. I to se nastavlja sve dok je tijelu potrebno.
Jedinstvenost enzima je u tome što svaki od njih obavlja samo jednu dodijeljenu funkciju. Biološka reakcija se događa samo kada enzim pronađe odgovarajući supstrat za nju. Ova interakcija se može usporediti s principom rada ključa i brave - samo pravilno odabrani elementi mogu "raditi zajedno". Još jedna karakteristika: mogu raditi na niskim temperaturama i umjerenom pH, a kao katalizatori su stabilniji od bilo koje druge kemikalije.
Enzimi djeluju kao katalizatori za ubrzavanje metaboličkih procesa i drugih reakcija.
Obično se ovi procesi sastoje od specifičnih koraka, od kojih svaki zahtijeva rad određenog enzima. Bez toga, ciklus konverzije ili ubrzanja neće se moći završiti.
Možda je od svih funkcija enzima najpoznatija funkcija katalizatora. To znači da enzimi kombinuju hemijske reagense na način koji smanjuje energiju potrebnu za brže formiranje proizvoda. Bez ovih supstanci, hemijske reakcije bi se odvijale stotinama puta sporije. Ali sposobnosti enzima se tu ne završavaju. Svi živi organizmi sadrže energiju koja im je potrebna za nastavak života. Adenozin trifosfat ili ATP je vrsta napunjene baterije koja opskrbljuje ćelije energijom. Ali funkcioniranje ATP-a je nemoguće bez enzima. A glavni enzim koji proizvodi ATP je sintaza. Za svaki molekul glukoze koji se pretvara u energiju, sintaza proizvodi oko 32-34 molekula ATP-a.
Osim toga, enzimi (lipaza, amilaza, proteaza) se aktivno koriste u medicini. Posebno služe kao sastavni dio enzimskih preparata kao što su Festal, Mezim, Panzinorm, Pancreatin, koji se koriste za liječenje probavnih smetnji. Ali neki enzimi mogu uticati i na cirkulatorni sistem (rastvarati krvne ugruške) i ubrzati zarastanje gnojnih rana. Čak iu terapiji protiv raka pribjegavaju pomoći enzima.
Faktori koji određuju aktivnost enzima
Budući da je enzim sposoban višestruko ubrzati reakcije, njegova aktivnost je određena takozvanim obrtnim brojem. Ovaj izraz se odnosi na broj molekula supstrata (reagirajuće tvari) koje 1 molekul enzima može transformirati u 1 minuti. Međutim, postoji niz faktora koji određuju brzinu reakcije:
- Koncentracija supstrata.
Povećanje koncentracije supstrata dovodi do ubrzanja reakcije. Što je više molekula aktivne tvari, reakcija se odvija brže, jer je uključeno više aktivnih centara. Međutim, ubrzanje je moguće samo dok se ne iskoriste svi molekuli enzima. Nakon toga, čak i povećanje koncentracije supstrata neće ubrzati reakciju.
- Temperatura.
Obično povećanje temperature ubrzava reakcije. Ovo pravilo važi za većinu enzimskih reakcija, sve dok temperatura ne poraste iznad 40 stepeni Celzijusa. Nakon ove oznake, brzina reakcije, naprotiv, počinje naglo opadati. Ako temperatura padne ispod kritičnog nivoa, brzina enzimskih reakcija će se ponovo povećati. Ako temperatura nastavi rasti, kovalentne veze se raspadaju i katalitička aktivnost enzima se zauvijek gubi.
- Kiselost.
Na brzinu enzimskih reakcija također utiče pH. Svaki enzim ima svoju optimalnu razinu kiselosti na kojoj se reakcija odvija najadekvatnije. Promjena pH razine utiče na aktivnost enzima, a samim tim i na brzinu reakcije. Ako su promjene prevelike, supstrat gubi sposobnost da se veže za aktivnu jezgru i enzim više ne može katalizirati reakciju. Obnavljanjem potrebnog pH nivoa vraća se i aktivnost enzima.
Enzimi prisutni u ljudskom tijelu mogu se podijeliti u 2 grupe:
- metabolički;
- digestivni.
Metabolički „rade“ na neutralizaciji toksičnih tvari, a također doprinose proizvodnji energije i proteina. I, naravno, ubrzavaju biohemijske procese u tijelu.
Za šta su odgovorni organi za varenje jasno je iz naziva. Ali i ovdje dolazi do izražaja princip selektivnosti: određena vrsta enzima djeluje samo na jednu vrstu hrane. Stoga, da biste poboljšali probavu, možete pribjeći malom triku. Ako tijelo nešto iz hrane ne vari dobro, tada je potrebno dopuniti prehranu proizvodom koji sadrži enzim koji može razgraditi teško svarljivu hranu.
Enzimi hrane su katalizatori koji razgrađuju hranu do stanja u kojem tijelo može apsorbirati korisne tvari iz njih. Probavni enzimi dolaze u nekoliko vrsta. U ljudskom tijelu, različite vrste enzima nalaze se u različitim dijelovima probavnog trakta.
Usnoj šupljini
U ovoj fazi, hrana je izložena alfa-amilazi. Razgrađuje ugljikohidrate, škrob i glukozu koji se nalaze u krompiru, voću, povrću i drugoj hrani.
Stomak
Ovdje pepsin razgrađuje proteine u peptide, a želatinaza razgrađuje želatin i kolagen koji se nalaze u mesu.
Pankreas
U ovoj fazi oni "rade":
- tripsin – odgovoran za razgradnju proteina;
- alfa-kimotripsin - pomaže u varenju proteina;
- elastaze - razgrađuju neke vrste proteina;
- Nukleaze – pomažu u razgradnji nukleinskih kiselina;
- Steapsin – podstiče apsorpciju masne hrane;
- amilaza – odgovorna za apsorpciju škroba;
- lipaza – razgrađuje masti (lipide) koje se nalaze u mliječnim proizvodima, orašastim plodovima, uljima i mesu.
Tanko crijevo
Oni "dočaravaju" čestice hrane:
- peptidaze – razlažu peptidna jedinjenja do nivoa aminokiselina;
- saharaza – pomaže u varenju složenih šećera i škroba;
- maltaza – razlaže disaharide u monosaharide (sladni šećer);
- laktaza – razgrađuje laktozu (glukozu koja se nalazi u mliječnim proizvodima);
- lipaza – podstiče apsorpciju triglicerida i masnih kiselina;
- Erepsin – utiče na proteine;
- izomaltaza – “radi” sa maltozom i izomaltozom.
Debelo crevo
Ovdje funkcije enzima obavljaju:
- E. coli – odgovorna za varenje;
- laktobacili - utiču na laktozu i neke druge ugljene hidrate.
Pored gore navedenih enzima, tu su i:
- dijastaza – vari biljni skrob;
- invertaza – razgrađuje saharozu (stolni šećer);
- glukoamilaza – pretvara se u glukozu;
- alfa-galaktozidaza – pospješuje probavu pasulja, sjemena, proizvoda od soje, korijena i lisnatog povrća;
- bromelain - enzim koji se dobija iz, potiče razgradnju različitih vrsta proteina, efikasan je na različitim nivoima kiselosti životne sredine i ima antiinflamatorna svojstva;
- Papain je enzim izolovan iz sirove papaje koji potiče razgradnju malih i velikih proteina i efikasan je u širokom spektru supstrata i kiselina.
- celulaza – razgrađuje celulozu, biljna vlakna (nema ih u ljudskom tijelu);
- endoproteaza – razgrađuje peptidne veze;
- Ekstrakt volovske žuči – enzim životinjskog porekla, stimuliše pokretljivost creva;
- pankreatin je enzim životinjskog porijekla koji ubrzava probavu proteina;
- pankrelipaza je životinjski enzim koji pospješuje apsorpciju
Fermentirana hrana je gotovo idealan izvor korisnih bakterija neophodnih za pravilnu probavu. I dok farmaceutski probiotici “rade” samo u gornjem dijelu probavnog sustava i često ne dospiju do crijeva, djelovanje enzimskih proizvoda osjeća se u cijelom gastrointestinalnom traktu.
Na primjer, kajsije sadrže mješavinu korisnih enzima, uključujući invertazu, koja je odgovorna za razgradnju glukoze i potiče brzo oslobađanje energije.
Prirodni izvor lipaze (podstiče bržu probavu lipida) može biti. U tijelu ovu supstancu proizvodi gušterača. Ali kako biste olakšali život ovom organu, možete se počastiti, na primjer, salatom s avokadom - ukusnom i zdravom.
Osim što je možda najpoznatiji izvor, opskrbljuje organizam i amilazom i maltazom. Amilaza se takođe nalazi u hlebu i žitaricama. Maltaza pomaže u razgradnji maltoze, takozvanog sladnog šećera koji se u izobilju nalazi u pivu i kukuruznom sirupu.
Još jedno egzotično voće, ananas, sadrži čitav niz enzima, uključujući bromelain. A, prema nekim studijama, ima i antikancerogena i protuupalna svojstva.
Ekstremofili i industrija
Ekstremofili su supstance koje su u stanju da održavaju vitalne funkcije u ekstremnim uslovima.
Živi organizmi, kao i enzimi koji im omogućavaju da funkcionišu, pronađeni su u gejzirima gde je temperatura blizu tačke ključanja, duboko u ledu, kao iu uslovima ekstremnog saliniteta (Dolina smrti u SAD). Osim toga, naučnici su pronašli enzime za koje nivo pH, kako se ispostavilo, takođe nije osnovni uslov za efikasan rad. Istraživači s posebnim interesom proučavaju ekstremofilne enzime kao supstance koje se mogu široko koristiti u industriji. Iako su danas enzimi već našli svoju upotrebu u industriji kao biološki i ekološki prihvatljive supstance. Enzimi se koriste u prehrambenoj industriji, kozmetologiji i proizvodnji kućnih hemikalija.
Izvozčikova Nina Vladislavovna
specijalnost: infektolog, gastroenterolog, pulmolog.
Ukupno iskustvo: 35 godina.
obrazovanje:1975-1982, 1MMI, san-gig, najviša kvalifikacija, doktor infektolog.
Naučna diploma: doktor najviše kategorije, kandidat medicinskih nauka.
