Kā darbojas enzīmi?

Enzīma molekula ir daudz lielāka nekā viela, ar kuru tā strādā. Lielāko daļu apjoma aizņem locījumi, kas notur pareizo telpisko formu, bet pati reakcija norisinās nelielā iedobē, kuru veido dažas aminoskābes, kas olbaltumvielas ķēdē var atrasties ļoti tālu cita no citas.

Agrākais skaidrojums salīdzināja enzīmu un substrātu ar slēdzeni un atslēgu. Mūsdienās plašāk pieņemts inducētās atbilstības modelis: aktīvais centrs saistīšanās brīdī nedaudz maina formu un aptver substrātu, un tieši šī pārveide palīdz izstiept vai savērpt vajadzīgās saites.

Katalīze pati par sevi notiek vairākos veidos, un lielākā daļa enzīmu izmanto to kombināciju.

• Substrāti tiek satuvināti un pagriezti pareizā leņķī, tāpēc nav jāgaida veiksmīga nejauša sadursme.
• Aktīvais centrs visciešāk saistās nevis ar sākotnējo vielu, bet ar nestabilo pārejas stāvokli, un tādējādi to noturē.
• Aminoskābju sānu ķēdes var uz brīdi pieņemt vai atdot protonu, darbojoties kā skābe vai bāze.
• Dažos gadījumos enzīms uz brīdi izveido pagaidu saiti ar substrātu un pēc tam to atlaiž.
• Metāla joni aktīvajā centrā var stabilizēt lādiņus vai aktivēt ūdens molekulu.

Daļa enzīmu darbojas patstāvīgi, bet ļoti daudzi bez palīga ir neaktīvi. Neolbaltumvielas palīgu sauc par kofaktoru; ja tā ir sarežģīta organiska molekula, to sauc par koenzīmu. Koenzīmi bieži pārnes ķīmiskas grupas vai elektronus no vienas reakcijas uz citu, tāpēc tie darbojas kā šūnas kurjeri.

Tieši šeit rodas saikne ar uzturu: vairāku svarīgu koenzīmu pamatā ir vitamīni, kurus organisms pats nespēj saražot. Tāpēc atsevišķu vitamīnu trūkums izpaužas nevis kā viena bojāta funkcija, bet kā plašs simptomu kopums, jo vienlaikus palēninās daudzas reakcijas.

Enzīma darbība ir atkarīga no tā, vai aktīvā centra aminoskābēm ir pareizais lādiņš, un lādiņu nosaka vides skābums. Tāpēc katram enzīmam ir savs skābuma diapazons, kurā tas strādā vislabāk, un ārpus tā aktivitāte strauji krītas.

Gremošanas sistēmā šī atšķirība ir redzama visspilgtāk: kuņģī vide ir stipri skāba, bet tievajās zarnās to neitralizē aizkuņģa dziedzera un žults sārmainie izdalījumi. Ja šī neitralizācija netiek nodrošināta, aizkuņģa dziedzera enzīmi nespēj darboties, pat ja tie ir saražoti pietiekamā daudzumā.

Temperatūra darbojas divējādi. Līdz zināmai robežai siltums paātrina molekulu kustību un tātad reakciju, bet, pārsniedzot to, olbaltumvielas telpiskā uzbūve sabrūk. Šo procesu sauc par denaturāciju, un tas parasti ir neatgriezenisks: tieši tāpēc augsts drudzis organismam ir bīstams.

Regulācija ir tikpat svarīga kā pati katalīze. Nekontrolēti aktīvs enzīms var sagraut paša organisma audus, un tieši tas notiek akūta pankreatīta gadījumā, kad aizkuņģa dziedzera enzīmi aktivējas jau pašā dziedzerī.

Galvenie regulācijas paņēmieni ir vairāki, un tie darbojas dažādos ātrumos: daži dažu sekunžu laikā, citi stundās.

• Neaktīvās priekšformas: pepsinogēns un tripsinogēns kļūst aktīvi tikai tur, kur tie vajadzīgi.
• Fosfātu grupas pievienošana vai atņemšana, ko veic kināzes un fosfatāzes, ieslēdz vai izslēdz enzīmu dažu mirkļu laikā.
• Allostēriskā regulācija: molekula piesaistās ārpus aktīvā centra un maina enzīma formu, palielinot vai samazinot aktivitāti.
• Atgriezeniskā kavēšana: reakciju ķēdes gala produkts nomāc pirmo enzīmu šajā ķēdē, novēršot pārprodukciju.
• Norobežošana: agresīvākie sašķelšanas enzīmi tiek turēti lizosomās, atsevišķi no pārējās šūnas.
• Ražošanas apjoma maiņa: hormoni un uztura sastāvs ietekmē to, cik daudz konkrētā enzīma šūna vispār sintezē.

Liela daļa mūsdienu medikamentu darbojas tieši kā enzīmu inhibitori. Konkurējošais inhibitors ir līdzīgs substrātam un cīnās par vietu aktīvajā centrā; tā ietekmi var samazināt, palielinot substrāta daudzumu. Nekonkurējošais inhibitors piesaistās citviet un maina enzīma formu, tāpēc substrāta pārpilnība nepalīdz.

Atsevišķa grupa ir neatgriezeniskie inhibitori, kas izveido noturīgu ķīmisku saiti un enzīmu izslēdz pavisam. Šādā gadījumā darbība beidzas tikai tad, kad šūna saražo jaunas enzīma molekulas, un tieši tāpēc dažu zāļu iedarbība ilgst daudz ilgāk, nekā varētu spriest pēc to daudzuma asinīs.

Tādā pašā veidā darbojas arī daudzas indes un pesticīdi, bloķējot nervu impulsa pārvadei nepieciešamos enzīmus. Robeža starp zālēm un indi šajā jomā bieži ir tikai devas jautājums.

Ja gēnā, kas kodē enzīmu, ir bojājums, sekas var būt divējādas: uzkrājas viela, kuru vajadzēja sašķelt, vai arī pietrūkst produkta, kuram vajadzēja rasties. Daļa šādu stāvokļu izpaužas jau zīdaiņa vecumā, citi tikai pieaugušam cilvēkam.

Daļai slimību pieejama ārstēšana ar uztura ierobežojumiem, ar trūkstošā enzīma aizstājterapiju vai ar vielmaiņas ceļa bloķēšanu citā vietā. Tieši tāpēc jaundzimušo skrīnings ir svarīgs: daļu šo stāvokļu var atklāt, pirms parādās neatgriezeniski bojājumi.

Ar iedzimtām vielmaiņas slimībām nodarbojas ģenētiķis un vielmaiņas slimību speciālists, ar gremošanas enzīmu nepietiekamību gastroenterologs, bet pirmais solis parasti ir vizīte pie ģimenes ārsta.

• Laktāzes nepietiekamība: piena cukurs netiek sašķelts, rodas uzpūšanās un caureja.
• Fenilketonūrija: bojāta ir aminoskābes fenilalanīna pārveide, un tā uzkrāšanās bez ārstēšanas bojā smadzenes.
• Aizkuņģa dziedzera ārējās sekrēcijas nepietiekamība: taukos šķīstošo vielu uzsūkšanās traucējumi, taukaina vēdera izeja, svara zudums.
• Lizosomu uzkrāšanās slimības, kurās trūkst viena sašķelšanas enzīma un šūnās krājas nesašķeltais materiāls.
• Glikozes seši fosfāta dehidrogenāzes deficīts, kas noteiktu zāļu vai pārtikas ietekmē izraisa eritrocītu sabrukšanu.

Vairums enzīmu atrodas šūnu iekšienē, tāpēc to parādīšanās asinīs lielākā daudzumā parasti nozīmē, ka šūnas ir bojātas un saturs izplūdis. Uz šā principa balstās daudzas ikdienas analīzes.

Skaitlis analīzē vienmēr jāskata kopā ar sūdzībām, citiem rādītājiem un laika gaitu. Neliels enzīma līmeņa pieaugums var būt arī fiziskas slodzes, medikamentu vai pilnīgi nekaitīgu iemeslu sekas, tāpēc atsevišķs paaugstināts rezultāts nav diagnoze. Rezultātus vienmēr skaidro ārsts, un šis raksts individuālu konsultāciju neaizstāj.

Populārajā valodā vārdu ferments lieto ļoti brīvi, tāpēc rodas pārpratumi. Enzīms nav hormons: hormons ir ziņnesis, kas nes signālu no viena orgāna uz citu, bet enzīms pats veic ķīmisko pārveidi turpat uz vietas.

Tāpat enzīmi nav probiotiķi. Probiotiķi ir dzīvi mikroorganismi, kas iemitinās zarnās, savukārt gremošanas enzīmu preparāti satur pašas katalizatoru molekulas. Tie ir pamatoti konkrētos stāvokļos, piemēram, aizkuņģa dziedzera nepietiekamībā vai laktāzes trūkuma gadījumā, bet vesela cilvēka gremošanu tie būtiski neuzlabo.

Vēl viens izplatīts maldīgs uzskats ir tas, ka termiski apstrādāts ēdiens ir mazvērtīgs, jo tajā iznīcināti augu enzīmi. Vairums pārtikas enzīmu kuņģa skābē tik un tā tiek denaturēti un sašķelti tāpat kā jebkura cita olbaltumviela.

Interesantākais enzīmu darbības princips ir tas, ka aktīvais centrs nav veidots pēc substrāta formas. Tas ir veidots pēc pārejas stāvokļa formas, tātad pēc tās nestabilās, īslaicīgās molekulas versijas, kas rodas reakcijas vidū. Šāda uzbūve padara pārejas stāvokli enerģētiski izdevīgāku, un tieši tā rodas paātrinājums. Uz šā paša principa balstās arī daudzu spēcīgu zāļu izstrāde: tās veido tā, lai molekula atdarinātu pārejas stāvokli un enzīmu pilnībā aizņemtu.

Otrs mazāk zināmais fakts ir tas, cik ļoti atšķiras enzīmu ātrums. Daži enzīmi vienā sekundē apstrādā tikai dažas molekulas, citi simtiem tūkstošu. Ātrākie strādā tik strauji, ka to darbību ierobežo vairs ne pati ķīmija, bet gan tas, cik ātri substrāts spēj pieplūst, un šo robežu sauc par difūzijas robežu.

Trešais mazāk pieminētais aspekts ir enzīmu ražošanas cena. Katras enzīma molekulas sintēze prasa enerģiju un aminoskābes, tāpēc šūna neražo tos par krājumu. Daudzos vielmaiņas ceļos enzīmu daudzums mainās atkarībā no uztura un hormonālā stāvokļa, un tieši tāpēc pielāgošanās jaunam ēšanas režīmam vai badošanās apstākļiem prasa dienas, nevis minūtes.