W tym artykule postaram się przekazać, czym są enzymy, te wspaniałe katalizatory biologiczne, bez uciekania się do zbyt naukowych wyjaśnień. Aby zrozumieć działanie enzymów, należy postrzegać je jako wyspecjalizowanych pracowników ludzkiego ciała, pracowników, których w Biovie postanowiliśmy nazwać "pomocnikami metabolicznymi", ponieważ enzymy nie dostarczają żadnych składników odżywczych (nie są suplementami diety); pomagają nam optymalizować funkcje organizmu, zarówno metaboliczne, jak i trawienne, poprzez wielką liczbę reakcji biochemicznych.
Czym właściwie są enzymy?
U organizmów żywych enzymy to białka, które przyspieszają wiele rodzajów reakcji biochemicznych i reakcji chemicznych niezbędnych do życia. Wyobraź sobie jednostkę produkcyjną, w której każda maszyna (enzym) jest zaprojektowana do wykonywania określonego zadania szybko i skutecznie. Te maszyny (enzymy) są kluczowe do rozkładania makroskładników na mniejsze, przyswajalne jednostki, przekształcania składników odżywczych w energię, naprawy naszych komórek i narządów oraz wielu innych funkcji życiowych.
Każdy enzym uczestniczy w bardzo określonej reakcji biochemicznej, jest unikalny i działa tylko na konkretny rodzaj "części", to znaczy cząsteczkę substratu, z którą wykazuje komplementarność kształtu, jak dwa elementy układanki 3D, dla swojej własnej reakcji enzymatycznej. Mówi się o specyficzności substratowej. Enzym przyczepia się do tej części i przekształca ją, umożliwiając tym samym szybkie zachodzenie złożonych reakcji bez marnowania energii. Jest to trochę jak klucz, który otwiera określony zamek: enzym (klucz) działa tylko na swoim substracie (zamku). To właśnie nazywa się aktywnością enzymatyczną i to ona zresztą charakteryzuje różnicę między tym, co żywe, a tym, co nieożywione.
(źródło: Wikipedia)
Enzymy są również wielokrotnego użytku i nadają się do recyklingu, nie są "zużywane" przez swoje działanie. Jest to zresztą sama definicja reakcji katalitycznej: substancję odpowiedzialną za reakcję odnajdujemy nienaruszoną na końcu reakcji. Po przekształceniu substratu mogą zacząć od nowa z innym. Dzięki temu nawet w niewielkiej ilości mogą przeprowadzić wiele reakcji w krótkim czasie, a gdy znajdują się w swoim optymalnym środowisku działania, w szczególności w temperaturze ciała, są bardzo szybkie.
W kwestii zdrowia enzymy są niezbędne. Uczestniczą we wszystkim, od trawienia pokarmów po naprawę DNA. Gdy nie działają prawidłowo, może to powodować poważne problemy, takie jak choroby genetyczne, zaburzenia autoimmunologiczne, a nawet niektóre nowotwory.
Wreszcie ważne jest, aby wiedzieć, że enzymy, które produkujemy, oraz te, które spożywamy w pokarmach, pełnią różne role, ale wszystkie są ważne dla zdrowego metabolizmu.
Aby lepiej to zrozumieć, można porównać enzymy do bardzo skutecznych osobistych asystentów w ciele. Zajmują się wszystkim, od przekształcania pokarmów w użyteczną energię po zarządzanie odpadami komórkowymi. To tak, jakby każdy proces metaboliczny miał swojego własnego dedykowanego asystenta, gwarantującego, że wszystko działa bez zakłóceń i w energicznym tempie.
Fascynującym aspektem enzymów jest ich ekstremalna precyzja. Nie zadowalają się one działaniem na jakiejkolwiek reakcji chemicznej; celują w konkretne reakcje. Ta specyficzność zapobiega chaosowi metabolicznemu, zapewniając, że właściwe reakcje zachodzą we właściwym miejscu i we właściwym czasie.
Enzymy odgrywają również kluczową rolę w naszym zdrowiu, regulując szlaki metaboliczne. Działają jak regulatory prędkości, przyspieszając lub spowalniając reakcje zgodnie z potrzebami naszego organizmu. Gdy ten system zostaje zaburzony, mogą wystąpić zachwiania równowagi, prowadzące do problemów zdrowotnych.
Na przykład, jeśli kluczowy enzym jest deficytowy lub nieobecny z powodu, na przykład, mutacji genetycznej, może to prowadzić do choroby metabolicznej i kaskady problemów. I odwrotnie, jeśli enzym jest zbyt aktywny, procesy dosłownie się rozpędzają, co może prowadzić do chorób autoimmunologicznych, a nawet do niektórych typów nowotworów.
Podsumowując, enzymy są niezbędnymi aktorami w złożonym teatrze naszego metabolizmu. Ich rola w utrzymaniu naszego zdrowia jest równie kluczowa, co niewidoczna, dyskretnie orkiestrując mnóstwo procesów życiowych, które pozwalają nam żyć, rosnąć i pozostawać w dobrym zdrowiu.
Role enzymów w organizmie
Enzymy, te pomocniki metaboliczne, odgrywają niezbędną rolę w naszym ciele, jak już widzieliśmy. Przyspieszają i ułatwiają liczne reakcje biochemiczne niezbędne w naszym codziennym życiu. Oto kilka konkretnych przykładów ich działania:
Glikoliza: Ta reakcja biochemiczna to trochę jak rozkładanie złożonego elementu (cukru, glukozy) w celu wydobycia z niego energii (ATP) i innych użytecznych składników. Współpracuje tu kilka enzymów, a jeśli nie działają one dobrze, może to prowadzić do problemów takich jak spadek poziomu cukru we krwi, osłabienie mięśni i inne zaburzenia metaboliczne.
Trawienie: Wyobraź sobie wyspecjalizowane narzędzia (enzymy trawienne), które rozkładając wiązania chemiczne, redukują pokarmy do małych cząsteczek (składników odżywczych), które nasze ciało może wykorzystać. Reakcje te rozpoczynają się już na początku przewodu pokarmowego, dzięki enzymom produkowanym przez ślinianki, na przykład białka są rozkładane na aminokwasy. Jeśli te enzymy-narzędzia są wadliwe, trawienie jest zaburzone, co może prowadzić do problemów z niedożywieniem, bólami brzucha, wzdęciami i biegunką, a przede wszystkim do złego przyswajania tego, co jemy, niezależnie od jakości tych pokarmów.
Naprawa DNA: Enzymy naprawy DNA działają jak prawdziwi technicy konserwacji, wykrywając i naprawiając różne uszkodzenia stwierdzone w naszym materiale genetycznym. Jeśli nie działają prawidłowo, może to powodować mutacje genetyczne, zwiększać ryzyko nowotworu i przyspieszać starzenie.
Cykl mocznikowy: Ten proces przekształca toksyczny amoniak w mniej niebezpieczną substancję (mocznik), którą nasze ciało może łatwo wydalić przez nerki. Enzymy zaangażowane w ten proces są kluczowe; ich dysfunkcja może prowadzić do nagromadzenia amoniaku we krwi, poważnie szkodząc mózgowi i innym narządom.
Synteza hemoglobiny: Hemoglobina, przenoszona przez nasze czerwone krwinki, jest niezbędna do transportu tlenu po całym ciele. Jeśli enzym odpowiedzialny za jej produkcję jest deficytowy, może to powodować anemię, prowadzącą do zmęczenia, osłabienia, duszności i bladości.
Krótko mówiąc, enzymy są kluczowymi aktorami w procesach życiowych, czy chodzi o reakcje anaboliczne (budowanie cząsteczek), czy o reakcje kataboliczne (rozkład cząsteczek), a ich prawidłowe działanie jest niezbędne dla naszego zdrowia i samopoczucia.
Enzymy a temperatura
W wysokiej temperaturze wewnętrzne wiązania enzymów rozrywają się, a enzym traci swój kształt (nazywa się to jego strukturą trójwymiarową); ich aktywność ustaje, żywe komórki stają się komórkami martwymi. W tej temperaturze pokarm traci swoje wewnętrzne enzymy pokarmowe. To wyjaśnia, dlaczego pokarmy gotowane powyżej pewnej temperatury są mniej strawne niż pokarmy surowe, ponieważ pokarmy gotowane nie posiadają już tych wewnętrznych enzymów, a ludzkie ciało, zamiast z nich korzystać, musi więc wytworzyć nowe, aby prawidłowo strawić pokarmy, co oczywiście ma swój koszt biologiczny. Innymi słowy, enzymy trawienne są niszczone przez ciepło gotowania i nasz organizm nie może już z nich korzystać, a reakcje enzymatyczne już nie zachodzą. Natomiast w temperaturach niższych niż temperatura ciała enzymy pozostają aktywne.
Enzymy są wrażliwe na ciepło, trochę jak złożone i delikatne lodowe rzeźby. Każdy enzym ma określony kształt trójwymiarowy, utrzymywany razem przez kruche wiązania. Ten kształt jest kluczowy dla ich działania, ponieważ pozwala im przyczepiać się do swoich substratów i przyspieszać reakcje chemiczne. Jak element układanki wrażliwy na ciepło, który odkształciłby się nieodwracalnie, topiąc się powyżej swojej temperatury topnienia:
Wpływ temperatury: Każdy enzym ma "idealną temperaturę", w której działa najlepiej, często bliską temperaturze ciała organizmu, z którego pochodzi. Na przykład enzymy ludzkie są optymalne w okolicach 37°C. W tej temperaturze są wystarczająco elastyczne, aby skutecznie wykonywać swoje zadania.
Efekt spadku temperatury: Gdy jest zimniej, enzymy zwalniają. Poruszają się mniej i mniej oddziałują ze swoimi substratami, co zmniejsza szybkość katalizowanych przez nie reakcji. Na szczęście niskie temperatury zazwyczaj nie niszczą enzymów trwale.
Efekt wzrostu temperatury: Natomiast gdy temperatura rośnie, enzymy najpierw się aktywizują i działają szybciej, ale jeśli temperatura wzrośnie zbyt mocno, zaczynają się odkształcać i tracą zdolność do działania. Ta utrata struktury (denaturacja) jest nieodwracalna; raz zniszczony enzym nie może się naprawić. To główny powód, dla którego zalecamy odżywianie się jak najmniej gotowanymi pokarmami, aby zachować kapitał enzymatyczny naszych pokarmów.
W naszych pokarmach enzymy są niemal zawsze niszczone podczas gotowania lub obróbki przemysłowej, ponieważ procesy te wykorzystują temperatury znacznie przekraczające ich próg tolerancji na ciepło. Ta temperatura zmienia się w zależności od rodzaju enzymu, na przykład pektynaza jest dezaktywowana w okolicach 50°C, amylaza około 70°C, proteaza i katalaza około 60°C.
Wreszcie, niewielki wzrost temperatury ciała, jak podczas gorączki, może wzmocnić nasz układ odpornościowy. To dodatkowe, ale nieniszczące ciepło przyspiesza enzymy zaangażowane w obronę naszego ciała, pomagając tym samym zwalczać infekcje skuteczniej i szybciej. Niektóre kluczowe enzymy układu odpornościowego, takie jak interferony, mogą być nawet bardziej aktywne w temperaturach nieco wyższych niż normalne.
Ciąg dalszy nastąpi: w dwóch kolejnych artykułach omówimy dwie konkretne kategorie enzymów; enzymy trawienne i enzymy metaboliczne.
Źródła:
Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Gatto, G.J., & Stryer, L. (2015). Biochemistry (8th ed.). New York: W.H. Freeman and Company.
Voet, D., Voet, J.G., & Pratt, C.W. (2013). Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level (4th ed.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons.
Nelson, D.L., & Cox, M.M. (2017). Lehninger Principles of Biochemistry (7th ed.). New York: W.H. Freeman and Company.
Sharma, H. K., Prasad, K., & Dinesh, M. R. (2011). Biochemistry and Biotechnology of Pectinases: A Review. International Journal of Food and Fermentation Technology, 1(1), 1-15.
P. M. Nielsen (1994) Functionality of exogenous enzymes in dough systems. In: Journal of Cereal Science, 20(1): 47-57.
V. C. Pandey et al. (2000) Enzyme technology in food processing. In: Journal of Food Science and Technology, 37(2): 123-135.
A. K. Mondal et al. (2012) Catalase Activities, Stability and Kinetics: A Comparative Study. In: Journal of Microbiology, Biotechnology and Food Sciences, 1(5): 1205-1214.
Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Stryer, L. (2002). Biochemistry (5th ed.). New York: W.H. Freeman. (Le chapitre 8, "Enzymes: Basic Concepts and Kinetics"
Isaacs, A., Lindenmann, J., & Valentine, R. C. (1957). Virus interference. II. Some properties of interferon. Proceedings of the Royal Society of London. Series B - Biological Sciences, 147(927), 268–273. doi: 10.1098/rspb.1957.0048.
