8.7.1. V bunkovom obsahu nie sú enzýmy distribuované náhodne, ale prísne usporiadané. Pomocou intracelulárnych membrán sa bunka delí na kompartmenty resp priehradky(Obrázok 8.18). V každom z nich sa uskutočňujú presne definované biochemické procesy a koncentrujú sa zodpovedajúce enzýmy alebo polyenzymatické komplexy. Tu je niekoľko typických príkladov.

Obrázok 8.18. Intracelulárna distribúcia enzýmov rôznych metabolických dráh.

Lyzozómy obsahujú prevažne rôzne hydrolytické enzýmy. Tu prebiehajú procesy štiepenia zložitých organických zlúčenín na ich štruktúrne zložky.

Mitochondrie obsahujú komplexné systémy redoxných enzýmov.

Enzýmy na aktiváciu aminokyselín sú distribuované v hyaloplazme, ale sú prítomné aj v jadre. Hyaloplazma obsahuje početné metabolóny glykolýzy, štrukturálne kombinované s metabolónmi pentózofosfátového cyklu, čo zabezpečuje vzťah medzi dichotomickými a apotomickými cestami rozkladu sacharidov.

V ribozomálnom aparáte bunky sa zároveň koncentrujú enzýmy, ktoré urýchľujú prenos aminokyselinových zvyškov na rastúci koniec polypeptidového reťazca a katalyzujú niektoré ďalšie reakcie v procese biosyntézy bielkovín.

V bunkovom jadre sú lokalizované hlavne nukleotidyltransferázy urýchľujúce prenos nukleotidových zvyškov pri tvorbe nukleových kyselín.

8.7.2. Distribúcia enzýmov v subcelulárnych organelách sa študuje po predbežnej frakcionácii bunkových homogenátov vysokorýchlostnou centrifugáciou, pričom sa stanoví obsah enzýmov v každej frakcii.

Lokalizácia daného enzýmu v tkanive alebo bunke môže byť často stanovená in situ histochemickými metódami ("histoenzymológia"). Na tento účel sa tenké (od 2 do 10 um) rezy zmrazeného tkaniva ošetria roztokom substrátu, pre ktorý je tento enzým špecifický. V tých miestach, kde sa enzým nachádza, vzniká produkt reakcie katalyzovaný týmto enzýmom. Ak je produkt zafarbený a nerozpustný, zostáva v mieste tvorby a umožňuje lokalizáciu enzýmu. Histoenzymológia poskytuje jasný a do určitej miery fyziologický obraz o distribúcii enzýmov.

Enzýmové systémy enzýmov koncentrovaných v intracelulárnych štruktúrach sú navzájom jemne koordinované. Vzájomné prepojenie nimi katalyzovaných reakcií zabezpečuje životne dôležitú činnosť buniek, orgánov, tkanív a organizmu ako celku.

Pri štúdiu aktivity rôznych enzýmov v tkanivách zdravého tela si možno urobiť obraz o ich distribúcii. Ukazuje sa, že niektoré enzýmy sú široko distribuované v mnohých tkanivách, ale v rôznych koncentráciách, zatiaľ čo iné sú veľmi aktívne v extraktoch získaných z jedného alebo viacerých tkanív a prakticky chýbajú v iných tkanivách tela.

Obrázok 8.19. Relatívna aktivita určitých enzýmov v ľudských tkanivách, vyjadrená ako percento aktivity v tkanive s maximálnou koncentráciou tohto enzýmu (Moss, Butterworth, 1978).

8.7.3. Koncept enzymopatií. V roku 1908 anglický lekár Archibald Garrod navrhol, že príčinou mnohých chorôb môže byť absencia niektorého z kľúčových enzýmov podieľajúcich sa na metabolizme. Zaviedol pojem „vrodené chyby metabolizmu“ (vrodená chyba metabolizmu). Následne túto teóriu potvrdili nové údaje získané v oblasti molekulárnej biológie a patologickej biochémie.

Informácie o sekvencii aminokyselín v polypeptidovom reťazci proteínu sú zaznamenané v zodpovedajúcom úseku molekuly DNA vo forme sekvencie trinukleotidových fragmentov - tripletov alebo kodónov. Každý triplet kóduje špecifickú aminokyselinu. Táto zhoda sa nazýva genetický kód. Navyše, niektoré aminokyseliny môžu byť kódované niekoľkými kodónmi. Existujú aj špeciálne kodóny, ktoré sú signálmi pre začiatok syntézy polypeptidového reťazca a jeho ukončenie. K dnešnému dňu bol genetický kód úplne rozlúštený. Je univerzálny pre všetky druhy živých organizmov.

Realizácia informácie obsiahnutej v molekule DNA zahŕňa niekoľko etáp. Po prvé, messenger RNA (mRNA) sa syntetizuje v bunkovom jadre počas transkripcie a vstupuje do cytoplazmy. mRNA zase slúži ako templát pre transláciu – syntézu polypeptidových reťazcov na ribozómoch. Povaha molekulárnych chorôb je teda daná narušením štruktúry a funkcie nukleových kyselín a nimi riadených bielkovín.

8.7.4. Keďže informácie o štruktúre všetkých proteínov v bunke sú obsiahnuté v sekvencii nukleotidov DNA a každá aminokyselina je určená trojicou nukleotidov, zmena primárnej štruktúry DNA môže mať v konečnom dôsledku výrazný vplyv na syntetizovaný proteín. . K takýmto zmenám dochádza v dôsledku chýb v replikácii DNA, keď je jedna dusíkatá báza nahradená inou, či už v dôsledku radiácie alebo chemickej modifikácie. Všetky takto vzniknuté zdedené vady sú tzv mutácie. Môžu viesť k nesprávnemu čítaniu kódu a vymazaniu (strate) kľúčovej aminokyseliny, nahradeniu jednej aminokyseliny inou, predčasnému zastaveniu syntézy proteínov alebo pridaniu sekvencií aminokyselín. Ak vezmeme do úvahy závislosť priestorového balenia proteínu od lineárnej sekvencie aminokyselín v ňom, možno predpokladať, že takéto defekty môžu zmeniť štruktúru proteínu, a tým aj jeho funkciu. Mnohé mutácie sa však nachádzajú iba v laboratóriu a neovplyvňujú nepriaznivo funkciu bielkovín. Kľúčovým bodom je teda lokalizácia zmien v primárnej štruktúre. Ak je poloha nahradenej aminokyseliny kritická pre tvorbu terciárnej štruktúry a tvorbu katalytického miesta enzýmu, potom je mutácia vážna a môže sa prejaviť ako choroba.

Dôsledky nedostatku jedného enzýmu v reťazci metabolických reakcií sa môžu prejaviť rôznymi spôsobmi. Predpokladáme, že transformácia zlúčeniny A do spojenia B katalyzuje enzým E a aké spojenie C sa vyskytuje na alternatívnej transformačnej ceste (obrázok 8.20):

Obrázok 8.20. Schéma alternatívnych spôsobov biochemických premien.

Dôsledky nedostatku enzýmov môžu byť nasledujúce javy:

1. nedostatočnosť produktu enzymatickej reakcie ( B). Ako príklad môžeme uviesť pokles glukózy v krvi pri niektorých formách glykogenózy;
2. hromadenie hmoty A), ktorých premenu katalyzuje enzým (napríklad kyselina homogentisová pri alkaptonúrii). Pri mnohých lyzozomálnych ochoreniach sa v nich hromadia látky, ktoré bežne podliehajú hydrolýze v lyzozómoch v dôsledku nedostatku niektorého z enzýmov;
3. odchýlka na alternatívnu cestu s tvorbou niektorých biologicky aktívnych zlúčenín ( C). Do tejto skupiny javov patrí vylučovanie močom kyseliny fenylpyrohroznovej a fenylmliečnej, ktoré vznikajú v tele pacientov s fenylketonúriou ako dôsledok aktivácie pomocných ciest odbúravania fenylalanínu.

Ak je metabolická premena ako celok regulovaná princípom spätnej väzby konečného produktu, potom budú účinky posledných dvoch typov anomálií významnejšie. Takže napríklad pri porfýriách (vrodené poruchy syntézy hemu) sa eliminuje drvivý vplyv hemu na počiatočné reakcie syntézy, čo vedie k tvorbe nadmerného množstva medziproduktov metabolickej dráhy, ktoré majú toxický účinok na bunky kože a nervového systému.

Faktory prostredia môžu zosilniť alebo dokonca úplne určiť klinické prejavy niektorých vrodených metabolických porúch. Napríklad u mnohých pacientov s nedostatkom glukózo-6-fosfátdehydrogenázy sa ochorenie rozvinie až po užití liekov, ako je primachín. Pri absencii kontaktu s drogami takíto ľudia pôsobia zdravým dojmom.

8.7.5. Nedostatok enzýmu sa zvyčajne posudzuje nepriamo podľa zvýšenia koncentrácie východiskovej látky, ktorá normálne podlieha premenám pôsobením tohto enzýmu (napríklad fenylalanín pri fenylketonúrii). Priame stanovenie aktivity takýchto enzýmov sa vykonáva iba v špecializovaných centrách, ale ak je to možné, diagnóza by sa mala potvrdiť touto metódou. Prenatálna (predpôrodná) diagnostika niektorých vrodených metabolických porúch je možná vyšetrením buniek plodovej vody získaných v skorých štádiách tehotenstva a kultivovaných in vitro.

Niektoré vrodené metabolické poruchy je možné liečiť dodaním chýbajúceho metabolitu do tela alebo obmedzením príjmu prekurzorov narušených metabolických procesov do gastrointestinálneho traktu. Nahromadené produkty (napr. železo pri hemochromatóze) môžu byť niekedy odstránené.

8.7.1. V bunkovom obsahu nie sú enzýmy distribuované náhodne, ale prísne usporiadané. Pomocou intracelulárnych membrán sa bunka delí na kompartmenty resp priehradky(Obrázok 8.18). V každom z nich sa uskutočňujú presne definované biochemické procesy a koncentrujú sa zodpovedajúce enzýmy alebo polyenzymatické komplexy. Tu je niekoľko typických príkladov.

Obrázok 8.18. Intracelulárna distribúcia enzýmov rôznych metabolických dráh.

Lyzozómy obsahujú prevažne rôzne hydrolytické enzýmy. Tu prebiehajú procesy štiepenia zložitých organických zlúčenín na ich štruktúrne zložky.

Mitochondrie obsahujú komplexné systémy redoxných enzýmov.

Enzýmy na aktiváciu aminokyselín sú distribuované v hyaloplazme, ale sú prítomné aj v jadre. Hyaloplazma obsahuje početné metabolóny glykolýzy, štrukturálne kombinované s metabolónmi pentózofosfátového cyklu, čo zabezpečuje vzťah medzi dichotomickými a apotomickými cestami rozkladu sacharidov.

V ribozomálnom aparáte bunky sa zároveň koncentrujú enzýmy, ktoré urýchľujú prenos aminokyselinových zvyškov na rastúci koniec polypeptidového reťazca a katalyzujú niektoré ďalšie reakcie v procese biosyntézy bielkovín.

V bunkovom jadre sú lokalizované hlavne nukleotidyltransferázy urýchľujúce prenos nukleotidových zvyškov pri tvorbe nukleových kyselín.

8.7.2. Distribúcia enzýmov v subcelulárnych organelách sa študuje po predbežnej frakcionácii bunkových homogenátov vysokorýchlostnou centrifugáciou, pričom sa stanoví obsah enzýmov v každej frakcii.

Lokalizácia daného enzýmu v tkanive alebo bunke môže byť často stanovená in situ histochemickými metódami ("histoenzymológia"). Na tento účel sa tenké (od 2 do 10 um) rezy zmrazeného tkaniva ošetria roztokom substrátu, pre ktorý je tento enzým špecifický. V tých miestach, kde sa enzým nachádza, vzniká produkt reakcie katalyzovaný týmto enzýmom. Ak je produkt zafarbený a nerozpustný, zostáva v mieste tvorby a umožňuje lokalizáciu enzýmu. Histoenzymológia poskytuje jasný a do určitej miery fyziologický obraz o distribúcii enzýmov.

Enzýmové systémy enzýmov koncentrovaných v intracelulárnych štruktúrach sú navzájom jemne koordinované. Vzájomné prepojenie nimi katalyzovaných reakcií zabezpečuje životne dôležitú činnosť buniek, orgánov, tkanív a organizmu ako celku.

Pri štúdiu aktivity rôznych enzýmov v tkanivách zdravého tela si možno urobiť obraz o ich distribúcii. Ukazuje sa, že niektoré enzýmy sú široko distribuované v mnohých tkanivách, ale v rôznych koncentráciách, zatiaľ čo iné sú veľmi aktívne v extraktoch získaných z jedného alebo viacerých tkanív a prakticky chýbajú v iných tkanivách tela.

Obrázok 8.19. Relatívna aktivita určitých enzýmov v ľudských tkanivách, vyjadrená ako percento aktivity v tkanive s maximálnou koncentráciou tohto enzýmu (Moss, Butterworth, 1978).

8.7.3. Koncept enzymopatií. V roku 1908 anglický lekár Archibald Garrod navrhol, že príčinou mnohých chorôb môže byť absencia niektorého z kľúčových enzýmov podieľajúcich sa na metabolizme. Zaviedol pojem „vrodené chyby metabolizmu“ (vrodená chyba metabolizmu). Následne túto teóriu potvrdili nové údaje získané v oblasti molekulárnej biológie a patologickej biochémie.

Informácie o sekvencii aminokyselín v polypeptidovom reťazci proteínu sú zaznamenané v zodpovedajúcom úseku molekuly DNA vo forme sekvencie trinukleotidových fragmentov - tripletov alebo kodónov. Každý triplet kóduje špecifickú aminokyselinu. Táto zhoda sa nazýva genetický kód. Navyše, niektoré aminokyseliny môžu byť kódované niekoľkými kodónmi. Existujú aj špeciálne kodóny, ktoré sú signálmi pre začiatok syntézy polypeptidového reťazca a jeho ukončenie. K dnešnému dňu bol genetický kód úplne rozlúštený. Je univerzálny pre všetky druhy živých organizmov.

Realizácia informácie obsiahnutej v molekule DNA zahŕňa niekoľko etáp. Po prvé, messenger RNA (mRNA) sa syntetizuje v bunkovom jadre počas transkripcie a vstupuje do cytoplazmy. mRNA zase slúži ako templát pre transláciu – syntézu polypeptidových reťazcov na ribozómoch. Povaha molekulárnych chorôb je teda daná narušením štruktúry a funkcie nukleových kyselín a nimi riadených bielkovín.

8.7.4. Keďže informácie o štruktúre všetkých proteínov v bunke sú obsiahnuté v sekvencii nukleotidov DNA a každá aminokyselina je určená trojicou nukleotidov, zmena primárnej štruktúry DNA môže mať v konečnom dôsledku výrazný vplyv na syntetizovaný proteín. . K takýmto zmenám dochádza v dôsledku chýb v replikácii DNA, keď je jedna dusíkatá báza nahradená inou, či už v dôsledku radiácie alebo chemickej modifikácie. Všetky takto vzniknuté zdedené vady sú tzv mutácie. Môžu viesť k nesprávnemu čítaniu kódu a vymazaniu (strate) kľúčovej aminokyseliny, nahradeniu jednej aminokyseliny inou, predčasnému zastaveniu syntézy proteínov alebo pridaniu sekvencií aminokyselín. Ak vezmeme do úvahy závislosť priestorového balenia proteínu od lineárnej sekvencie aminokyselín v ňom, možno predpokladať, že takéto defekty môžu zmeniť štruktúru proteínu, a tým aj jeho funkciu. Mnohé mutácie sa však nachádzajú iba v laboratóriu a neovplyvňujú nepriaznivo funkciu bielkovín. Kľúčovým bodom je teda lokalizácia zmien v primárnej štruktúre. Ak je poloha nahradenej aminokyseliny kritická pre tvorbu terciárnej štruktúry a tvorbu katalytického miesta enzýmu, potom je mutácia vážna a môže sa prejaviť ako choroba.

Dôsledky nedostatku jedného enzýmu v reťazci metabolických reakcií sa môžu prejaviť rôznymi spôsobmi. Predpokladáme, že transformácia zlúčeniny A do spojenia B katalyzuje enzým E a aké spojenie C sa vyskytuje na alternatívnej transformačnej ceste (obrázok 8.20):

Obrázok 8.20. Schéma alternatívnych spôsobov biochemických premien.

Dôsledky nedostatku enzýmov môžu byť nasledujúce javy:

1. nedostatočnosť produktu enzymatickej reakcie ( B). Ako príklad môžeme uviesť pokles glukózy v krvi pri niektorých formách glykogenózy;
2. hromadenie hmoty A), ktorých premenu katalyzuje enzým (napríklad kyselina homogentisová pri alkaptonúrii). Pri mnohých lyzozomálnych ochoreniach sa v nich hromadia látky, ktoré bežne podliehajú hydrolýze v lyzozómoch v dôsledku nedostatku niektorého z enzýmov;
3. odchýlka na alternatívnu cestu s tvorbou niektorých biologicky aktívnych zlúčenín ( C). Do tejto skupiny javov patrí vylučovanie močom kyseliny fenylpyrohroznovej a fenylmliečnej, ktoré vznikajú v tele pacientov s fenylketonúriou ako dôsledok aktivácie pomocných ciest odbúravania fenylalanínu.

Ak je metabolická premena ako celok regulovaná princípom spätnej väzby konečného produktu, potom budú účinky posledných dvoch typov anomálií významnejšie. Takže napríklad pri porfýriách (vrodené poruchy syntézy hemu) sa eliminuje drvivý vplyv hemu na počiatočné reakcie syntézy, čo vedie k tvorbe nadmerného množstva medziproduktov metabolickej dráhy, ktoré majú toxický účinok na bunky kože a nervového systému.

Faktory prostredia môžu zosilniť alebo dokonca úplne určiť klinické prejavy niektorých vrodených metabolických porúch. Napríklad u mnohých pacientov s nedostatkom glukózo-6-fosfátdehydrogenázy sa ochorenie rozvinie až po užití liekov, ako je primachín. Pri absencii kontaktu s drogami takíto ľudia pôsobia zdravým dojmom.

8.7.5. Nedostatok enzýmu sa zvyčajne posudzuje nepriamo podľa zvýšenia koncentrácie východiskovej látky, ktorá normálne podlieha premenám pôsobením tohto enzýmu (napríklad fenylalanín pri fenylketonúrii). Priame stanovenie aktivity takýchto enzýmov sa vykonáva iba v špecializovaných centrách, ale ak je to možné, diagnóza by sa mala potvrdiť touto metódou. Prenatálna (predpôrodná) diagnostika niektorých vrodených metabolických porúch je možná vyšetrením buniek plodovej vody získaných v skorých štádiách tehotenstva a kultivovaných in vitro.

Niektoré vrodené metabolické poruchy je možné liečiť dodaním chýbajúceho metabolitu do tela alebo obmedzením príjmu prekurzorov narušených metabolických procesov do gastrointestinálneho traktu. Nahromadené produkty (napr. železo pri hemochromatóze) môžu byť niekedy odstránené.

Biologická chémia Lelevich Vladimir Valeryanovich

Aktívne miesto enzýmu

Aktívne miesto enzýmu

Časť molekuly enzýmu, ktorá špecificky interaguje so substrátom, sa nazýva aktívne miesto. Aktívne centrum je unikátna kombinácia aminokyselinových zvyškov v molekule enzýmu, ktorá zabezpečuje jeho priamu interakciu s molekulou substrátu a priamo sa podieľa na katalýze. V komplexných enzýmoch aktívne centrum zahŕňa aj kofaktor. V aktívnom centre sa bežne rozlišuje katalytické miesto, ktoré priamo vstupuje do chemickej interakcie so substrátom, a väzbové miesto, ktoré poskytuje špecifickú afinitu k substrátu a tvorbu jeho komplexu s enzýmom.

Vlastnosti aktívnych miest enzýmov:

1. Aktívne centrum tvorí relatívne malú časť celkového objemu enzýmu.

2. Aktívne centrum má podobu úzkej priehlbiny alebo štrbiny v enzýmovej globule.

3. Aktívne centrum je trojrozmerný útvar, na tvorbe ktorého sa podieľajú funkčné skupiny aminokyselín lineárne vzdialené od seba.

4. Substráty sa viažu na aktívne miesto relatívne slabo.

5. Špecifickosť väzby substrátu závisí od presne definovaného usporiadania atómov a funkčných skupín v aktívnom mieste.

Niektoré regulačné enzýmy majú ďalšie centrum nazývané alosterické alebo regulačné. Je priestorovo oddelená od aktívneho miesta.

Alosterické centrum je úsek molekuly enzýmu, s ktorým sa viažu určité zvyčajne nízkomolekulárne látky (alosterické regulátory), ktorých molekuly nie sú štruktúrou podobné substrátu. Pripojenie regulátora k alosterickému centru vedie k zmene terciárnej a kvartérnej štruktúry molekuly enzýmu, a teda ku konformácii aktívneho centra, čo spôsobuje zníženie alebo zvýšenie enzymatickej aktivity.