Encimi: zgradba, funkcije in delovanje

Encimi so bistveni za pravilno delovanje vseh živih organizmov na Zemlji. Sodelujejo v večini, če ne celo vseh kemijskih spremembah v naravi, torej v milijonih reakcij tako v rastlinskem kot v živalskem svetu. Vredno je ugotoviti, kaj so encimi, kako delujejo in kakšen je njihov pomen za sodobno medicino.

Kazalo

1. Encimi: Struktura
2. Regulacija encimske aktivnosti
3. Encimi: Vloga
4. Encimi: nomenklatura
5. Encimi in zdravilo
6. Bolezni, ki so posledica disfunkcionalnih encimov
7. Encimi: diagnostična uporaba
8. Encimi in zdravljenje

Encimi so beljakovinske molekule, ki pospešujejo ali celo omogočajo različne kemične reakcije v živih organizmih, vključno s človeškim telesom.

S kemičnega vidika so to katalizatorji, torej delci, ki okrepijo reakcijo, vendar se med reakcijo ne obrabijo. To povečanje učinkovitosti kemičnih transformacij je pogosto ogromno, naravni katalizatorji lahko reakcijski čas skrajšajo z nekaj let na nekaj sekund.

Encimi se nahajajo na vseh področjih telesa: v celicah, v zunajceličnem prostoru, v tkivih, v organih in v njihovi svetlobi to, kar katalizatorji daje določeno tkivo, določa njegove posebne lastnosti in vlogo, ki jo ima v telesu.

Večina encimov je zelo specifičnih, kar pomeni, da je vsak izmed njih odgovoren le za eno vrsto kemične reakcije, v kateri sodelujejo določeni delci - substrati, in samo oni lahko sodelujejo z danim encimom.

Dejavnost naravnih katalizatorjev je odvisna od številnih dejavnikov: reakcijskega okolja, npr. Temperature, pH, prisotnosti nekaterih ionov, aktivatorjev - okrepijo delovanje encimov in inhibitorjev, ki tej aktivnosti preprečujejo.

Encimi: Struktura

Kot smo že omenili, je večina encimov beljakovin, imajo zelo raznoliko strukturo: od več deset aminokislin do več tisoč, razporejenih v raznoliko prostorsko strukturo.

Je oblika njihove tvorbe (tako imenovana kvaternarna struktura) in za njihovo aktivnost je v veliki meri odgovorno dejstvo, da je večina encimov veliko večja od reaktantov njihovih reakcij.

To je posledica dejstva, da je le določeno območje v strukturi encimov tako imenovano aktivno mesto, torej fragment, ki je odgovoren za izvedbo reakcije.

Naloga preostalih fragmentov molekule je pritrditev določenega substrata, redkeje drugih spojin, ki vplivajo na aktivnost encima.

Vredno je vedeti, da je struktura katalizatorja zasnovana tako, da se spojna podlaga idealno ujema z izrazom "ključ do ključavnice".

Kot vsi proteini tudi v ribosomih encimi nastajajo iz genskega materiala, ki je tesno zapakiran v jedro - DNK in tako tvorijo tako imenovano primarno strukturo.

Nato se večkrat zloži - spremeni svojo obliko, včasih doda sladkorje, kovinske ione ali maščobne ostanke.

Rezultat vseh teh procesov je tvorjenje aktivne kvaternarne strukture, torej popolnoma biološko aktivne oblike.

V mnogih primerih se več encimskih delcev združi, da izvede vrsto kemičnih reakcij in tako pospeši postopek.

Zgodi se, da v več tkivih obstajajo encimi, ki katalizirajo isto reakcijo, vendar si strukturno niso vedno med seboj podobni, imenujemo jih izoencimi.

Imena izoencimov so enaka, kljub razliki v lokaciji in strukturi, vendar imajo te razlike praktično uporabo. Zahvaljujoč temu je mogoče v laboratorijskih testih določiti samo tiste encimske frakcije, ki prihajajo iz določenega organa.

Mehanizmi delovanja encimov so raznoliki, vendar je s kemijskega vidika njihova naloga vedno zmanjšati aktivacijsko energijo reakcije. To je količina energije, ki jo morajo imeti podlage, da lahko proces poteka.

Ta učinek je mogoče doseči z ustvarjanjem ustreznega okolja za izvedbo reakcije, z uporabo drugačne kemijske poti za pridobivanje istih produktov ali z ustrezno prostorsko razporeditvijo substratov.

Vsakega od teh mehanizmov lahko uporabljajo encimi.

Regulacija encimske aktivnosti

Delovanje encimov je odvisno od okoljskih parametrov: temperature, pH in drugih. Vsak naravni katalizator ima v določenih pogojih svoje optimalne lastnosti, ki so lahko zelo različne, odvisno od njegove tolerance do okoljskih razmer.

V primeru temperature večina encimskih reakcij teče hitreje pri višjih temperaturah, vendar pri določeni temperaturi reakcijska učinkovitost močno pade, kar je posledica termične poškodbe encima (denaturacija).

Glede na svojo strukturo lahko hormone delimo v dve skupini:

• preprosto - to so samo beljakovinski delci
• kompleksa - ki zahtevajo pritrditev nebeljakovinske skupine - kofaktor na njihovo aktivnost

Slednji igrajo ključno vlogo pri pravilni aktivnosti in regulaciji encimov.

Po drugi strani lahko kofaktorje razdelimo v dve skupini: tiste, ki so potrebne za delovanje encima in so z njim močno povezane - to so tako imenovane protetične skupine, lahko so kovine, organske molekule, kot je na primer hem.

Druga skupina so koencimi, običajno so odgovorni za prenos substratov ali elektronov in njihova vezava na encim je šibka, v to skupino spadajo na primer folna kislina in koencim A. Velja vedeti, da številni vitamini delujejo kot kofaktorji.

Inhibitorji opravljajo povsem drugačno nalogo, so delci, ki z vezavo na encim zavirajo encimsko aktivnost.

Obstaja več vrst zaviralcev:

• nepovratne - povzročajo trajno inaktivacijo molekule in reakcija lahko poteka šele po tvorbi novega encima
  
  
• konkurenčen - v tem primeru ima zaviralec strukturo, podobno substratu, zato tekmujejo za aktivno mesto. Če je pritrjen inhibitor, reakcija ne uspe, dokler je substrat normalen
  
  
• nekonkurenčni - taki zaviralci vežejo encim na mestu, ki se ne prilega substratu, zato se lahko pritrdi na encim, vendar reakcija ne poteka

Pri veliko višji koncentraciji substrata kot inhibitorja je učinek kompetitivnega inhibitorja premagan, ker preraste "konkurenco" za aktivno mesto, v primeru nekonkurenčnega učinka ni mogoče premagati s povečanjem koncentracije substrata.

Poleg uravnavanja aktivacijskega in inhibitornega sistema obstaja še veliko drugih metod za nadzor aktivnosti encimov.

Nanašajo se na nadzor proizvodnje celice na ravni tvorbe beljakovin, pa tudi na regulacijo tako imenovane post-translacijske obdelave, torej sprememb v strukturi beljakovinske molekule, ki se pojavijo takoj po sintezi v ribosomu. Te modifikacije so na primer skrajšanje polipeptidne verige.

Druge metode regulacije se nanašajo na ločevanje in namestitev encimov na ustrezna območja: celična in v določene organele ali v zunajcelični oddelek.

Obstaja še en pomemben regulativni mehanizem - negativne povratne informacije - je primarni nadzorni sistem v endokrinem sistemu. Deluje po principu inhibicije.

To pomeni, da če encim proizvede preveč določenega hormona, se nanj veže, kar povzroči zaviranje aktivnosti in zmanjšanje sinteze, zato reakcijski produkt sam zavira njegovo proizvodnjo.

Encimi: Vloga

Vsako tkivo človeškega telesa proizvaja poseben nabor encimov, ki določajo vlogo teh celic pri delovanju telesa. Kaj so ti encimi, določa genetska koda in katere regije so aktivne v dani celici.

V človeškem telesu se kadar koli zgodi na tisoče kemičnih reakcij, od katerih vsaka zahteva določen encim, zato bi bilo težko našteti vse te delce, ki so prisotni v našem telesu.

Vendar je vredno vedeti nekaj najbolj značilnih:

• Prebavni encimi - ki jih tvorijo tkiva prebavnega sistema, razgrajujejo hrano na enostavne spojine, saj se le te lahko absorbirajo v kri. So zunajcelični encimi, zato svojo glavno nalogo izpolnjujejo zunaj celic, kjer nastajajo. Nekateri od teh encimov se tvorijo v neaktivni obliki, tako imenovani proencimi ali zimogeni, in se aktivirajo v prebavilih. Prebavni encimi vključujejo npr. Amilazo, lipazo, tripsin.
  
  
• Miozin je encim, ki ga najdemo v mišicah, razgrajuje molekule ATP, ki so nosilci energije, zaradi česar se mišična vlakna krčijo.
  
  
• Peroksidaze so oksidativni encimi in katalaze, torej reducirajoči encimi
  
  
• Acetilholinesteraza je encim, ki razgrajuje acetilholin, enega od sporočil v živčnem sistemu
  
  
• Monoaminooksidaza je encim, ki ga je največ v jetrih in je odgovoren za razgradnjo adrenalina, noradrenalina in nekaterih zdravil
  
  
• Citohom oksidaza, zelo pomemben znotrajcelični encim, odgovoren za spremembe energije
  
  
• Lizozim, snov, ki je na primer v solzah ali slini in izpolnjuje zaščitne funkcije, uniči patogene
  
  
• Alkohol dehidrogenaza, encim v jetrih, ki je odgovoren za razgradnjo etanola
  
  
• Alkalna fosfataza sodeluje pri gradnji kosti z osteoblasti

Encimi: nomenklatura

Imena encimov so pogosto precej zapletena, saj izhajajo iz imena reakcije, ki jo izvajajo, in substrata, ki sodeluje v tej reakciji, npr. 5-hidroksitriptofan dekarboksilaza.

Običajno se pripona "-aza" doda generičnemu imenu reakcije, drugi del imena encima pa tvori ime spojine, ki je podvržena tej reakciji.

Zgodi se, da je ime samostojno, potem izvira iz substrata, npr.laktaze (encim, ki razgrajuje laktozo).

Redkeje imena encimov izvirajo iz splošnega procesa, ki poteka z njihovim sodelovanjem, npr.DNK-giraze, to je encima, odgovornega za vrtenje verig DNA.

Nekateri encimi imajo sčasoma običajna imena ali imena, ki jih je dal njihov odkritelj, na primer pepsin (ki razgrajuje beljakovine v prebavnem traktu) ali lizocim (baktericidni encim v solzah).

Obstaja tudi majhna skupina restrikcijskih encimov, ki so odgovorni za rezanje verig DNA, v tem primeru ime izvira iz mikroorganizma, iz katerega je bil encim izoliran.

Mednarodna zveza biokemije in molekularne biologije je uvedla pravila za poimenovanje encimov in jih razdelila v več razredov, da bi poenotila nomenklaturo.

Ni nadomestil prej opisanih imen, je prej dodatek, ki ga uporabljajo predvsem znanstveniki.

V skladu s pravili Evropske unije je vsak encim opisan z zaporedjem znakov: EC x.xx.xx.xx - kjer prva številka predstavlja razred, nadaljnje podrazrede in podrazrede in nazadnje število encimov. Omenjeni encimski razredi so:

• 1 - oksidoreduktaze: katalizirajo reakcije oksidacije in redukcije
• 2 - transferaze: prenos funkcionalnih skupin (npr. Fosfat)
• 3 - hidrolaze: ustrezajo hidrolizi (razgradnji) vezi
• 4-liaze: pretrgajo vezi na drugačen mehanizem kot hidroliza
• 5 - izomeraze: odgovorne so za prostorske spremembe molekul
• 6 - ligaze: molekule povezujejo s kovalentnimi vezmi

Encimi in zdravilo

Pomen encimov za zdravje ljudi je izjemen. Njihovo pravilno delovanje omogoča zdravo življenje, zahvaljujoč razvoju analitičnih naprav pa smo se naučili diagnosticirati različne bolezni s pomočjo določanja encimov. Poleg tega lahko uspešno zdravimo pomanjkljivosti nekaterih encimov in posledične bolezni, vendar je na žalost v tej zadevi še veliko dela.

Zdravljenje vzrokov za presnovne bolezni trenutno ni mogoče, ker ne moremo varno in učinkovito spremeniti genskega materiala za popravilo poškodovanih genov in s tem nepravilno proizvedenih encimov.

Bolezni, ki so posledica disfunkcionalnih encimov

Pravilno delovanje našega telesa je v veliki meri odvisno od pravilnega delovanja encimov. V mnogih primerih bolezenska stanja vplivajo na količino encimov, zaradi česar se prekomerno sproščajo iz celic ali, nasprotno, primanjkuje.V nadaljevanju so navedeni le primeri bolezni, ki jih povzročajo nenormalne encimske funkcije, teh je veliko več.

• Presnovni bloki ali presnovne bolezni

Presnovni bloki ali presnovne bolezni so skupina dednih bolezni, ki jih povzroča kopičenje snovi v celici zaradi pomanjkanja encima, odgovornega za njihov metabolizem. Sčasoma se nabere toliko substratov, da postanejo strupeni za celice in celoten organizem.

Teh bolezni je več tisoč, njihovo število odraža množico encimov, ki jih najdemo v človeškem telesu, saj presnovne bolezni lahko prizadenejo večino genov, ki kodirajo encime.

Primeri so galaktozemija ali homocistinurija, ki sta redki bolezni, ki se najpogosteje pokažeta takoj po rojstvu ali v prvih letih življenja.

• Tumorji

Druga skupina bolezni, pri katerih je lahko prišlo do okvare encimov, je rak. Poleg številnih drugih funkcij so encimi odgovorni tudi za uravnavanje delitve celic, tako imenovane tirozin kinaze. Če ti encimi odpovedo na tem področju, lahko pride do nenadzorovane delitve celic in s tem do neoplastičnega procesa.

• Emfizem

Manj pogosta bolezen je emfizem, v tem primeru elastaza postane prekomerno aktivna. Je encim, prisoten v pljučnem tkivu, ki je med drugim odgovoren za razgradnjo proteina elastina v pljučih.

Če je preveč aktiven, se poruši ravnovesje med uničenjem in gradnjo, pojavi se brazgotina in razvije se emfizem.

Encimi: diagnostična uporaba

Sodobna medicinska diagnostika temelji na uporabi encimov pri njihovih določitvah. To je posledica dejstva, da stanja bolezni neposredno ali posredno vodijo do neravnovesja encimov, kar povzroča povečanje ali zmanjšanje njihove količine v krvi.

To je lahko posledica ne le motenj v proizvodnji, ampak tudi na primer sproščanje velike količine znotrajceličnega encima v kri ali urin zaradi poškodbe njegove celične membrane.

Primeri encimov, uporabljenih v laboratorijskih testih, so:

• Kreatin kinaza - encim, prisoten v mišicah, tudi v srčni mišici, njegovo večkratno povečanje lahko kaže na srčni napad, miokarditis, mišične bolezni - poškodbe, distrofijo.
  
  
• Laktat dehidrogenaza - prisotna v vseh telesnih celicah, zlasti v možganih, pljučih, belih krvnih celicah in mišicah. Njegov velik porast opazimo pri miokardnem infarktu, boleznih mišic in jeter ali raku.
  
  
• Alkalna fosfataza se večinoma nahaja v jetrih in kosteh, tu jo sproščajo osteoblasti. Bolezni teh organov lahko povzročijo njegovo rast, vendar presežek alkalne fosfataze lahko kaže tudi na proces regeneracije kosti - po operaciji ali zlomu.
  
  
• Kisla fosfataza se pojavlja v številnih organih - jetrih, ledvicah, kosteh, prostati, z diagnostičnega vidika pa lahko njeno povečanje kaže na bolezni kosti in prostate.
  
  
• Aspartat aminotransferaza in alanin aminotransferaza - to so encimi, značilni za jetra, ki se pojavljajo skoraj izključno v hepatocitih, uporabljajo se pri osnovni presejalni diagnozi bolezni jeter, njihovo večkratno povečanje vrednosti pa vedno spodbudi nadaljnjo diagnostiko bolezni jeter.
  
  
• Glutamat dehidrogenaza in gamaglutamiltransferaza - drugi jetrni encimi, podobno kot prej omenjeni, so pomembni pri diagnozi bolezni tega organa in žolčnih poti.
  
  
• Amilaza je encim, prisoten v številnih organih, vendar največjo koncentracijo dosežemo v celicah trebušne slinavke in žlez slinavk, njeno diagnoza je pri njihovih boleznih najpomembnejša.
  
  
• Lipaza je še en encim trebušne slinavke, ki se po specifičnosti razlikuje od amilaze, kar pomeni, da se lipaza pojavlja le v trebušni slinavki in odstopanja od norme pri določanju tega encima kažejo na bolezen trebušne slinavke.
  
  
• Holinesteraza je encim, ki razgrajuje acetilholin - oddajnik v živčnem sistemu, kjer ga je tudi največ, v diagnostiki se uporablja pri zastrupitvah z organofosforjevimi spojinami.
  
  
• Faktorji koagulacije in fibrinolize - to so snovi, ki jih proizvajajo jetra in sodelujejo pri strjevanju krvi, njihove določitve pa niso pomembne le pri oceni tega procesa, temveč tudi pri spremljanju delovanja jeter.
  
  
• Alfa-fetoprotein - jetrni encim, katerega količina se poveča pri boleznih tega organa, vključno z rakom.
  
  
• C-reaktivni protein - proizvajajo ga jetra, ki sodelujejo v imunskem odzivu, njegova količina pa se poveča v krvi v vnetnih stanjih - okužbah, poškodbah, avtoimunskih boleznih.
  
  
• Ceruloplazmin - še en jetrni encim, katerega povečanje je značilno za Wilsonovo bolezen.
  
  
• Piridinolin in deoksipiridinolin sta označevalca resorpcije (uničenja) kosti in označujeta funkcijo osteoklastov (osteogenih celic).
  
  
• Mioglobin - kot smo že omenili, je to spojina, značilna za mišice, zato bo njeno povečanje pomenilo poškodbo skeletnih ali srčnih mišic.
  
  
• Troponini - tako imenovani markerji srčnega napada, so encimi, ki uravnavajo krčenje mišičnih vlaken, še posebej veliko jih je v srčni mišici. Njegova škoda povzroči sproščanje velikih količin troponinov v kri, ki se uporablja pri diagnozi bolezni srca. Vendar si je treba zapomniti, da lahko povišanje troponinov ne kaže le na srčni napad, temveč tudi na njegovo insuficienco, okvare zaklopk ali pljučno embolijo.

Vse zgoraj naštete encime lahko razvrstimo v več skupin:

• Sekrecijski encimi - spodnja meja norme je diagnostična. To so encimi, ki jih fiziološko proizvajajo organi, v primeru bolezni pa se njihovo število zmanjša, npr. Faktorji strjevanja krvi
  
  
• Indikatorji encimi - rast je pomembna. Ta skupina encimov se pojavlja v velikem številu zaradi poškodb organov in uhajanja encimov, med njimi so npr. Troponini
  
  
• izločevalni encimi - to so encimi, ki se običajno proizvajajo v lumnu različnih organov - ust, črevesja in sečil. Če jim je izhod blokiran, pridejo v kri, na primer amilaze

Treba si je zapomniti, da se encimi uporabljajo pri sami medicinski diagnozi. Biokemijske analize se izvajajo z uporabo encimov, ustrezna interpretacija rezultatov encimskih reakcij pa omogoča rezultat laboratorijskega testa.

Encimi in zdravljenje

Mnoga zdravila delujejo tako, da vplivajo na delovanje encimov, bodisi tako, da povzročijo njihovo delovanje, bodisi da so zaviralci. Obstajajo encimski nadomestki, kot sta pankreatin, ki vsebuje lipazo, in amilazo za insuficienco trebušne slinavke.

Po drugi strani nekatere skupine zdravil zavirajo delovanje encimov, npr. Zaviralci angiotenzinske konvertaze, ki se med drugim uporabljajo pri hipertenziji in srčnem popuščanju, ali nekateri antibiotiki, npr. okužba.

Nekateri strupi delujejo tudi tako, da vplivajo na encime. Cianid je močan zaviralec citokrom oksidaze, bistvene sestavine dihalne verige. Blokiranje preprečuje, da bi celica dobila energijo, kar vodi v njeno smrt.

Za pravilen potek življenjskih procesov celic je potrebna prisotnost številnih kemičnih snovi, ki med seboj ostajajo v strogih razmerjih in med katerimi nenehno potekajo kemične reakcije.

To nalogo opravljajo pravilno delujoči encimi, ki so potrebni za skoraj vsako kemično reakcijo s hitrostjo in učinkovitostjo, potrebnimi za pravilno delovanje človeškega telesa.

Delovanje encimov te procese velikokrat pospeši, pogosto celo na stotine, kar je pomembno, saj se sami encimi med reakcijami, ki se odvijajo, ne obrabijo.

Pomanjkanje katalizatorjev ali njihovo neustrezno delovanje lahko povzroči nastanek številnih bolezni. Po drugi strani pa spretno spreminjanje njihove dejavnosti omogoča uspešno zdravljenje številnih bolezni.

Encimologija (znanost o encimih) je izjemno obsežna in njen razvoj lahko prinese ne le znanstveni napredek, ampak tudi aktivno prispeva k razvoju medicine na področju ne le zdravljenja, temveč tudi diagnostike.

O avtorju

Lok. Maciej Grymuza Diplomant Medicinske fakultete na Medicinski univerzi v Ljubljani K. Marcinkowskega v Poznanju. Diplomiral je s preveč dobrim rezultatom. Trenutno je zdravnik s področja kardiologije in doktorand. Zanimajo ga predvsem invazivna kardiologija in vsadljivi pripomočki (stimulatorji).