Строение и свойства ферментов

     Компартментализация.

     Этот  способ регуляции позволяет осуществить  наиболее тонкую регуляцию метаболизма. За счет этого процесса с помощью  биомембран различные процессы обособляются. Все метаболические процессы протекают  в ограниченных пространствах, не мешая  друг другу. Этот механизм позволяет  разделить несовместимые и протекающие  в одно и то же время метаболические процессы. Например, ЦТК, биологическое  окисление, распад СЖК идут в митохондриях; гликолиз, синтез жирных кислот – в  цитоплазме. Однако полной изоляции процессов  в организме нет. Эти процессы связываются между собой метаболитами (в частности, ацетилКоА). Репликация, протекающая в ядре, связана с  биосинтезом белка, проходящим в  рибосоме, через м-РНК.

     Классификация и  номенклатура ферментов.

     Все известные ферменты делятся на 6 классов. В основу классификации  положена специфичность действия ферментов.

1. Оксидоредуктазы - ускоряют окислительно-восстановительные реакции.
2. Трансферазы - катализируют перенос атомов или группы атомов от одного вещества на другое.
3. Гидролазы - катализируют распад сложных веществ на более простые с участием воды.
4. Лиазы - катализируют распад сложных веществ без участия воды.
5. Изомеразы - катализируют процесс изомеризации.
6. Лигазы или синтетазы - ускоряют процессы синтеза с использованием энергии АТФ.

     Каждый  класс ферментов делится на подклассы, подклассы на подподклассы.

     В первое время после открытия названия ферментам давали произвольно - пепсин, трипсин и т. д. Когда количество ферментов возросло, возникла необходимость  их систематизации. В 1896 г. ученик Л. Пастера  Эмиль Дюкло предложил давать названия ферменту, исходя из названия субстрата или из названия реакции, которую он ускоряет, с добавлением  окончания - «аза». Эти названия применяются  до сих пор. Например, мальтаза - фермент, действующий на мальтозу, сахараза - на сахарозу, гидролаза, фермент, ускоряющий гидролиз, дегидрогеназы проводят дегидрирование. В название некоторых ферментов, катализирующих одну и ту же реакцию, но действующих на разные субстраты, вошли название субстрата, название реакции и окончание - аза.

     Например, лактатдегидрогеназа, малатдегидрогеназа. С 1961 каждому ферменту присвоен шифр из 4 цифр. Например, липаза кодируется 3.1.1.3. Первая цифра «3» означает класс  «Гидролазы», первая цифра «1»-это  подкласс гидролаз, ферменты, которые  разрывают сложноэфирные связи. Вторая цифра «1» уточняет, что  ферменты этого подподкласса разрушают  сложноэфирные связи, образованные карбоновыми кислотами. Последняя  цифра «3» показывает порядковый номер фермента в подподклассе.

     Энзимопатии.

     В основе многих заболеваний лежат  нарушения функционирования ферментов  в клетке — энзимопатии. Различают  первичные (наследственные) и вторичные (приобретённые) энзимопатии. Приобретённые  энзимопатии, как и вообще протеинопатии, по-видимому, наблюдают при всех болезнях. 

       
 

     При первичных энзимопатиях дефектные  ферменты наследуются, в основном, по аутосомно-рецессивному типу. Гетерозиготы, чаще всего, не имеют фенотипических отклонений. Первичные энзимопатии  обычно относят к метаболическим болезням, так как происходит нарушение определённых метаболических путей. При этом развитие заболевания может протекать по одному из ниже перечисленных «сценариев». Рассмотрим условную схему метаболического пути:

     Вещество  А в результате последовательных ферментативных реакций превращается в продукт Р. При наследственной недостаточности какого-либо фермента, например фермента Е₃, возможны разные нарушения метаболических путей:

     Нарушение образования  конечных продуктов. 

       
 

     Недостаток  конечного продукта этого метаболического  пути (Р) (при отсутствии альтернативных путей синтеза) может приводить  к развитию клинических симптомов, характерных для данного заболевания:

     Клинические проявления.

     В качестве примера можно рассмотреть  альбинизм. При альбинизме нарушен  синтез в меланоцитах пигментов  — меланинов. Меланин находится  в коже, волосах, радужке, пигментном эпителии сетчатки глаза и влияет на их окраску. При альбинизме наблюдают  слабую пигментацию кожи, светлые  волосы, красноватый цвет радужки  глаза из-за просвечивающих капилляров. Проявление альбинизма связано с  недостаточностью фермента тирозингидроксилазы (тирозиназы) — одного из ферментов, катализирующего метаболический путь образования меланинов.

     Накопление субстратов-предшественников. 

       
 

     При недостаточности фермента Е3 будут накапливаться вещество С, а также во многих случаях и предшествующие соединения. Увеличение субстратов—предшественников дефектного фермента — ведущее звено развития многих заболеваний:

     Клинические проявления.

     Известно  заболевание алкаптонурия, при котором  нарушено окисление гомогентизиновой кислоты в тканях (гомогентизиновая кислота — промежуточный метаболит  катаболизма тирозина). У таких  больных наблюдают недостаточность  фермента окисления гомогентизиновой кислоты — диоксигеназы гомогентизиновой кислоты, приводящей к развитию заболевания. В результате увеличиваются концентрация гомогентизиновой кислоты и выведение  её с мочой. В присутствии кислорода  гомогентизиновая кислота превращается в соединение чёрного цвета —  алкаптон. Поэтому моча таких больных  на воздухе окрашивается в чёрный цвет. Алкаптон также образуется и  в биологических жидкостях, оседая в тканях, коже, сухожилиях, суставах. При значительных отложениях алкаптона  в суставах нарушается их подвижность.

     Нарушение образования  конечных продуктов и накопление субстратов предшественников

     Отмечают  заболевания, когда одновременно недостаток продукта и накопление исходного  субстрата вызывают клинические  проявления.

       
 
 

     Например, у людей с болезнью Гирке (гликогеноз I типа) наблюдают снижение концентрации глюкозы в крови (гипогликемия) в перерывах между приёмами пищи. Это связано с нарушением распада гликогена в печени и выходом из неё глюкозы вследствие дефекта фермента глюкозо-6-фосфатфосфатазы. Одновременно у таких людей увеличиваются размеры печени (гепатомегалия) вследствие накопления в ней не используемого гликогена.

     Применение ферментов  в медицине.

     Ферментные  препараты широко используют в медицине. Ферменты в медицинской практике находят применение в качестве диагностических (энзимодиагностика) и терапевтических (энзимотерапия) средств.

     Кроме того, ферменты используют в качестве специфических реактивов для  определения ряда веществ. Так, глюкозооксидазу  применяют для количественного  определения глюкозы в моче и  крови. Фермент уреазу используют для  определения содержания количества мочевины в крови и моче. С помощью  различных дегидрогеназ обнаруживают соответствующие субстраты, например пируват, лактат, этиловый спирт и  др.

     Энзимодиагностика.

     Энзимодиагностика заключается в постановке диагноза заболевания (или синдрома) на основе определения активности ферментов  в биологических жидкостях человека. Принципы энзимодиагностики основаны на следующих позициях:

     • при повреждении клеток в крови или других биологических жидкостях (например, в моче) увеличивается концентрация внутриклеточных ферментов повреждённых клеток;

• количество высвобождаемого фермента достаточно для его обнаружения;
• активность ферментов в биологических жидкостях, обнаруживаемых при повреждении клеток, стабильна в течение достаточно длительного времени и отличается от нормальных значений;
• ряд ферментов имеет преимущественную или абсолютную локализацию в определённых органах (органоспецифичность);
• существуют различия во внутриклеточной локализации ряда ферментов.

     Причины, приводящие к увеличению количества ферментов  в крови.

     Ферменты  плазмы крови можно разделить  на 2 группы. Первая, относительно небольшая  группа ферментов активно секретируется  в плазму крови определёнными  органами. Например, печень синтезирует  неактивные предшественники ферментов  свёртывающей системы крови. Ко второй относят большую группу ферментов, высвобождающихся из клеток во время  их нормального функционирования. Обычно эти ферменты выполняют свою функцию  внутри клетки и не имеют физиологического значения в плазме крови. У здорового  человека активность этих ферментов  в плазме низкая и достаточно постоянная, так как постоянно соотношение  скоростей высвобождения их из клеток и скоростей разрушения.

     При многих заболеваниях происходит повреждение  клеток, и их содержимое, в том  числе и ферменты, высвобождаются в кровь. К причинам, вызывающим высвобождение  внутриклеточного содержимого в  кровь, относят нарушение проницаемости  мембраны клеток (при воспалительных процессах) или нарушение целостности  клеток (при некрозе). Определение  в крови активности ряда ферментов  хорошо налажено в биохимических  лабораториях, что используют для  диагностики заболеваний сердца, печени, скелетной мускулатуры и  других тканей. Уровень активности ферментов в плазме коррелирует  со степенью повреждения клеток.

     Для энзимодиагностики имеют большое  значение знания о субклеточной локализации  ферментов. Так, появление в плазме крови ферментов, имеющих только цитозольную локализацию, свидетельствует  о воспалительном процессе; при обнаружении  митохондриальных или ядерных ферментов  можно говорить о более глубоких повреждениях клетки, например о некрозе.

     Однако  повышение концентрации ферментов  не всегда связано с повреждением тканей. При избыточной клеточной  пролиферации, например при онкопролиферативных  процессах, при повышенной скорости синтеза некоторых ферментов  в клетках или при нарушенном клиренсе (способности выводиться почками) наблюдают повышение концентрации в крови определённых ферментов. Врачам следует учитывать, что нормальные значения активности ферментов в крови детей и беременных женщин отличаются от показателей, характерных для взрослых здоровых людей.

     Изоферменты.

     Изоферменты - молекулярные формы ферментов, катализирующие одну и ту же реакцию с одним и тем же субстратом, но в различных условиях.

     Ферменты, катализирующие одну и ту же химическую реакцию, но отличающиеся по первичной  структуре белка, называют изоферментами. или изоэнзимами. Они катализируют один и тот же тип реакции с  принципиально одинаковым механизмом, но отличаются друг от друга кинетическими  параметрами, условиями активации, особенностями связи апофермента  и кофермента.

     Природа появления изоферментов разнообразна, но чаще всего обусловлена различиями в структуре генов, кодирующих эти  изоферменты. Следовательно, изоферменты  различаются по первичной структуре  белковой молекулы и, соответственно, по физико-химическим свойствам. На различиях  в физико-химических свойствах основаны методы определения изоферментов.

     По  своей структуре изоферменты в основном являются олигомерными белками. Причём та или иная ткань преимущественно синтезирует определенные виды протомеров. В результате определенной комбинации этих протомеров формируются ферменты с различной структурой — изомерные формы. Обнаружение определённых изоферментных форм ферментов позволяет использовать их для диагностики заболеваний.

     ЛДГ₁ имеет 4 цепи Н-типа, встречается преимущественно в сердце;

     ЛДГ₂ имеет 3 цепи Н-типа и 1 цепь М-типа, встречается, в основном, в сердце, почках;

     ЛДГ₃ имеет 2 цепи Н-типа и 2 цепи М-типа, встречается в легких;

     ЛДГ₄ имеет 1 цепь Н-типа и 3 цепи М-типа, встречается, в основном, в печени;

     ЛДГ₅ имеет 4 цепи М-типа, встречается в мышцах и печени.

     Изоферменты лактатдегидрогеназы.