Какова химическая природа ферментов в чем состоят специфические особенности их функционирования

Какова химическая природа ферментов в чем состоят специфические особенности их функционирования

Подробное решение параграф §18 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Теремов А.В., Петросова Р.А. Углубленный уровень 2017

Вспомните, какие органические вещества выполняют ферментативную функцию. Какое влияние оказывают ферменты на химические реакции, протекающие в клетке и организме?

Ферментативную функцию в клетке выполняют белки. Нуклеиновые кислоты хранят и передают наследственную информацию, а белки входят в состав ферментов, поэтому выполняют ферментативную функцию.

Каждый фермент оказывает каталитическое действие на строго определенную химическую реакцию в живом организме, не оказывая практически влияния на другие реакции.

1. Какова химическая природа ферментов? Охарактеризуйте строение фермента и каждого его центра (см. рис. 68).

Ферменты имеют белковую природу, причём представляют собой глобулярные белки.

Субстратный (адсорбционный) центр – это участок активного центра фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата. СЦ формируется одним, двумя, чаще тремя радикалами аминокислот, которые обычно расположены рядом с каталитическим центром. Главная функция СЦ – связывание молекулы субстрата и ее передача каталитическому центру в наиболее удобном для него положении.

Активный центр образован из остатков аминокислот, находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных сближенных полипептидных цепей. Образуется на уровне третичной структуры белка — фермента. В его пределах различают субстратный (адсорбционный) центр и каталитический центр. Кроме активного центра встречаются особые функциональные участки – аллостерические (регуляторные) центры.

Регуляторный (аллостерический центр) – участок молекулы фермента вне его активного центра, который обратимо связывается с каким — либо веществом. Такое связывание приводит к изменению конформации молекулы фермента и его активности. Активный центр либо начинает работать быстрее, либо медленнее. Соответственно такие вещества называют аллостерическими активаторами либо аллостерическими ингибиторами.

2. Объясните последовательность взаимодействия субстрата с ферментом.

При взаимодействии фермента с субстратом можно выделить три стадии:

1. Первая стадия: образование фермент — субстратного комплекса, т.е. Присоединение субстрата к макромолекуле фермента.

2. Вторая стадия: непосредственно ферментативная реакция.

3. Третья стадия: отделение продуктов превращения субстрата от фермента.

3. Как скорость реакции зависит от концентрации фермента и субстрата? Почему при повышении концентрации субстрата скорость реакции возрастает до определённой величины, а далее остаётся неизменной?

Скорость реакции зависит не столько от концентрации субстрата, сколько от концентрации фермента. Таким образом, скорость реакции прямо пропорциональна концентрации фермента. Однако при увеличении концентрации субстрата она возрастает лишь в начале. Это связано с тем, что число молекул фермента определяет, как быстро будет происходить химическая реакция.

4. Рассмотрите график 3 на рис. 70. Как изменяется скорость реакции в пределах 0–40°С? Какая температура является оптимальной и почему? Как изменяется скорость реакции в интервале от 40 до 60 °С? Ответ поясните.

Скорость реакции и активность фермента зависят от температуры, причём она понижается как при низких температурах, так и при высоких. При низких температурах слишком мала энергия активации молекул как субстрата, так и фермента. При высоких температурах белки — ферменты денатурируют, т. е. сворачиваются и полностью разрушаются. Оптимальным считается температурный интервал от 30 до 40 °С.

5. Как изменяется активность фермента в зависимости от рН среды? Почему ферменты работают в основном в среде, близкой к нейтральной, а не в кислых или щелочных средах? Какие ферменты активны в кислой среде?

На активность фермента и скорость реакции влияет и pH среды.

Ферменты активны при различной концентрации ионов Н+ и ОН». Большинство из них работают эффективно в узких пределах pH, чаще в нейтральной среде. Сдвиг концентрации ионов водорода может изменить электрический заряд белка — фермента, что приведёт к изменению конфигурации молекулы и падению активности.

6. На графике 5 рис. 70 приведены кривые активности трёх ферментов –амилазы слюны, липазы поджелудочной железы и пепсина желудочного сока. Зная, где в пищеварительном тракте находятся эти ферменты, определите, какой график соответствует активности каждого из них.

Источник

Параграф 15 ферменты определение, природа, функции

Параграф 15: ФЕРМЕНТЫ (определение, природа, функции, классификация).
См. сначала п.57-59.

Содержание параграфа:
15. 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ферментов.
15. 2. ФУНКЦИЯ ферментов в организме и ЗНАЧЕНИЕ ферментов для организма.
15. 3. Недостаточная активность ферментов.
Последствия прекращения работы фермента.
Причины недостаточной активности фермента:
15. 4. Избыточная активность ферментов.
Последствия избыточной активности фермента.
Причины избыточной активности фермента:
15. 5. ЕДИНИЦЫ измерения активности ферментов.
15. 6. Химическая ПРИРОДА ферментов.
15. 7. ИСТОЧНИК ферментов в организме (откуда ферменты берутся в организме).
15. 8. Условия синтеза ферментов в клетках.
15. 9. Условия работы ферментов в клетках.

Кратко: в организме есть белки, способные ускорять (то есть катализировать) химические реакции. Эти белки называются ФЕРМЕНТАМИ.

Подробнее: в организме человека происходят превращения одних веществ в другие,
то есть химические реакции.
Многие реакции протекали бы с очень низкой скоростью,
при которой жизнь организма была бы невозможна,
если бы эти химические реакции не ускорялись специальными веществами,
которые называются катализаторами (ускорителями реакций).
Большинство катализаторов организма являются белками (другими словами, имеют белковую природу).
Такие белковые катализаторы (они же каталитические белки) называются ферментами.

15. 1. Определение ферментов. Что называют ферментами?

15. 2. Функция ферментов в организме
и значение ферментов для организма (нормальной активности ферментов).

Ферменты осуществляют КАТАЛИЗ химических реакций в организме.
То есть ферменты ускоряют химические реакции в организме.
В этом значение ферментов для организма.

Ферменты увеличивают скорость реакций в миллиард и более раз (в 105-1014 раз).
Ферменты ускоряют только те реакции, которые протекают и без помощи ферментов хотя бы с очень низкой скоростью.
Если реакция невозможна (не может протекать без катализатора в принципе даже очень медленно),
то и под влиянием фермента она не может ни ускориться, ни начаться.
То есть ферменты только ускоряют реакции, причём ускоряют только возможные реакции (возможные с точки зрения термодинамики).

Значение ферментов для организма в том, что
без работы ферментов в качестве катализаторов жизнь организма невозможна,
так как без участия ферментов большинство реакций организма
протекали бы с крайне низкой скоростью, что несовместимо с жизнью.

Термины:
Вещество, реакцию превращения которого в другое вещество (в продукт реакции) катализирует фермент,
называется СУБСТРАТОМ фермента.
Вещество, которое образуется в результате химической реакции (из субстрата), называется продуктом реакции.
В обратимых реакциях продукт одной реакции является субстратом обратной реакции и наоборот.

15. 3. Недостаточная активность ферментов.

Последствия прекращения работы фермента:

прекращение работы фермента (недостаточная активность фермента)
приводит к резкому снижению скорости реакции данного фермента
(то есть скорости реакции, которую мог бы катализировать этот фермент),
что приводит к накоплению субстрата реакции
и к дефициту продукта реакции.
Накопление ряда субстратов и дефицит ряда продуктов
нарушают жизнедеятельность организма,
могут ухудшать самочувствие, приводить к развитию заболеваний и к смерти.
Например, накопление такого субстрата, как аммиак (в случае прекращения работы ферментов синтеза мочевины),
или дефицит такого продукта, как АТФ (в случае прекращения работы ферментов, катализирующих реакции синтеза АТФ),
приводят к смерти.
Накопление такого субстрата, как фенилаланин (п.68) может привести к развитию олигофрении.

Но если нет субстрата фермента, то не будет проблем и из-за накопления субстрата реакции. При условии, что можно обойтись без продукта реакции.

Причины недостаточной активности молекул фермента:

Кроме того, может быть недостаточным количество молекул фермента (концентрация фермента в клетке).

Причины дефицита молекул фермента:
1. Снижение скорости синтеза (см. далее).
2. Нарушение транспорта молекул данного фермента в нужную часть клетки или из клетки (нарушение секреции).
3. Повышение скорости расщепления данного белка (протеолиза)
или всех белков клетки (например, при разрушении лизосом).
4. Денатурация белков при нагревании, ацидозе и алкалозе, появлении веществ, вызывающих денатурацию белков.

15. 4. Избыточная активность ферментов.

Последствия избыточной активности фермента:

избыточная активность фермента
приводит к повышению скорости реакции данного фермента
(то есть скорости реакции, которую катализирует этот фермент),
что приводит к дефициту субстрата реакции
и к образованию избытка продукта реакции.
Накопление ряда продуктов и дефицит ряда субстратов
нарушают жизнедеятельность организма,
могут ухудшать самочувствие, приводить к развитию заболеваний и к смерти.
Например, накопление такого продукта, как мочевая кислота
(в случае избыточной активности ферментов синтеза мочевой кислоты),
приводят к развитию ПОДАГРЫ, которая может привести к почечной недостаточности.

Но если нет субстрата фермента, то не будет и проблем из-за избытка продукта.
При условии, что можно обойтись без субстрата и продукта.

Причины избыточной активности молекул фермента:

1. МУТАЦИЯ ГЕНА, кодирующего данный фермент, из-за которой данный фермент становится чрезмерно активным;
мутация может быть врождённой из-за влияния мутагенов на организмы родителей
или приобретённой в течение жизни индивида под влиянием мутагенов.
Для коррекции нужна генотерапия, которая в настоящее время пока не развита.
2. Избыток в пище или воде микроэлемента или витамина,
необходимого для работы этого фермента
(эта причина устраняется снижением поступления этих веществ с водой и пищей).
Например, избыток витамина С может привести к неправильному заживлению ран (слишком быстрому рубцеванию ран), так как приводит к чрезмерной активности ферментов синтеза коллагена.

Кроме того, может образоваться избыток молекул фермента
при повышении скорости синтеза данного фермента или
при снижении скорости расщепления данного фермента.

15. 5. Единицы измерения активности ферментов.

Активность ферментов измеряется в том,
какое количество субстрата превратилось за единицу времени (в продукт)
или какое количество продукта образовалось за единицу времени (из субстрата).
(То есть насколько изменилась концентрация субстрата или продукта за единицу времени).

15. 6. Химическая природа ферментов.

15. 7. Источник ферментов в организме
(откуда ферменты берутся в организме).

Как и все белки организма, ферменты образуются в организме
в результате процесса, который называется СИНТЕЗОМ БЕЛКА.
Синтез белка (и ферментов в том числе) протекает только в клетках.
После синтеза ряд белков может секретироваться (выделяться) из клеток во внеклеточную среду
(например, антибактериальный лизоцим, ферменты плазмы крови и т.д.)

15. 8. Условия синтеза ферментов в клетках.

Для синтеза ферментов (как и других белков) требуются:
1) наличие «сырья» в клетке: БЕЛКОВЫХ АМИНОКИСЛОТ всех 20-ти типов,
2) наличие в клетке ГЕНА, кодирующего данный фермент (первичную структуру фермента, порядок соединения аминокислотных остатков в данной молекуле белка),
3) (иногда) наличие в клетке ВИТАМИНОВ И МИКРОЭЛЕМЕНТОВ (ионов металлов и селена),
4) ряд регуляторов синтеза белков (активаторы транскрипции и т.д.),
5) отсутствие ингибиторов синтеза белков (например, дифтерийного токсина),
6) нормальные условия в клетке: температура, рН и т.д.

Чтобы были все 20 типов аминокислот (для синтеза в клетке ферментов и других белков и веществ),
в пище должны присутствовать в нужных количествах незаменимые аминокислоты
в составе белков таких продуктов, как:
молочные, мясо, рыба, яйца, соя и другие бобовые.

Витамины и минералы тоже поступают в организм в основном в составе пищи (кроме этого, некоторое количество витаминов может синтезироваться и поставляться организму человека микрофлорой кишечника,
витамин Д может синтезироваться в коже под действием света, но не входит в состав белков,
дефицит витамина РР может отчасти компенсироваться синтезом коферментов НАД+ и НАДФН из триптофана при его достатке в пище).

Гены должны быть такими, чтобы кодировать
ферменты с нормальной активностью (не слишком высокой и не низкой),
которые могут регулироваться.
Изменение гена (мутация) может привести
к появлению фермента с низкой или чрезмерной активностью,
что может привести к развитию патологии.
Причиной мутации может стать действие мутагенов:
радиации, химических веществ, вирусов.
Поэтому желательно не засорять биосферу мутагенами.

15. 9. Условия работы ферментов в клетках.

Источник

Какова химическая природа ферментов в чем состоят специфические особенности их функционирования

Подробное решение параграф § 21 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. 2014

1. Как называются две составные части обмена веществ?

Ответ. Две составные части обмена веществ:

• Пластический (анаболизм, ассимиляция)

• Энергетический (катаболизм, диссимиляция).

2. Что такое метаболизм?

Ответ. Метаболи́зм (от греч. — «превращение, изменение»), или обмен веществ — набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды.

3. Что такое биологический катализатор?

Биологические катализаторы называют ферментами.

4. Что такое ферменты? Какую функцию они выполняют?

Ответ. Ферменты — белки, являющиеся биологическими катализаторами. Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ (субстратов) в другие (продукты) Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах — ими катализируется около 4000 биологических реакций. Ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма.

Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокая специфичность.

Вопросы после §21

1. Что называют гомеостазом?

Ответ. В любой живой клетке постоянно происходят сложнейшие химические и физические реакции, необходимые для того, чтобы обеспечить постоянство условий внутренней среды как в самой клетке, так и в многоклеточном организме, находящемся под воздействием постоянно меняющихся внешних факторов. Постоянство внутренней среды биологических систем получило название гомеостаза. Если гомеостаз нарушается, это ведёт к тому, что клетки и организм в целом повреждаются или даже могут погибнуть. Все реакции, протекающие в клетке, направлены на поддержание гомеостаза.

2. Как связаны между собой пластический и энергетический обмены?

Ответ. Ассимиляция (пластический обмен) и диссимиляция (энергетический обмен) – противоположные процессы: в первом случае происходит образование веществ, на что тратится энергия, а во втором – распад веществ с выделением и запасанием энергии. Эти процессы невозможны друг без друга, так как если не синтезировать и не запасать органические вещества, то и распадаться будет нечему. А если прекратятся реакции распада, то не будет синтезироваться АТФ, что приведёт к невозможности синтеза веществ из-за нехватки энергии. Таким образом, реакции ассимиляции и диссимиляции – это две стороны единого процесса обмена веществ и энергии в клетке, который называется метаболизмом. Ассимиляция и диссимиляция всегда строго сбалансированы и скоординированы, а нарушение этого баланса всегда приводит к развитию какого-либо заболевания как отдельных клеток, так и целого организма или даже их гибели

3. Какое значение имеют ферменты в метаболизме?

Ответ. Реакции метаболизма в живой клетке протекают при умеренных температурах, нормальном давлении и малых колебаниях кислотности. Вне живых организмов при таких условиях все химические реакции ассимиляции и диссимиляции или вообще не могли бы протекать, или протекали бы медленно. Однако в живых организмах эти реакции проходят очень быстро. Это обусловливается участием в них ферментов.

Так как активность ферментов очень высока, то для обеспечения нормальной скорости метаболических процессов требуется очень малое количество молекул ферментов. Но поскольку ферменты действуют избирательно, клетке необходимо очень много видов ферментов. Например, фермент амилаза катализирует распад в ротовой полости крахмала: без этого фермента реакция не идёт. Фермент уреаза катализирует расщепление мочевины до аммиака и угольной кислоты, но не действует на другие родственные мочевине соединения

4. Какова химическая природа ферментов? В чём состоят специфические особенности их функционирования?

Ответ. Ферменты — сложные органические вещества, которые образуются в живой клетке и играют важную роль катализатора всех процессов, происходящих в организме. Большинство из них состоит из двух компонентов: белкового (апофермент) и небелкового (кофермент). В активную часть входят: железо, марганец, кальций, медь, цинк, а также некоторые витамины. Кофермент становится активным тогда, когда соединяется с апоферментом.

Будучи белковыми веществами, ферменты при нагревании до 54 oС необратимо коагулируют (сворачиваются) и теряют свои каталитические действия. Также они легко разрушаются под действием кислорода и света. Все процессы обмена веществ: белковый, углеводный, жировой, витаминный, минеральный — протекают при содействии ферментов. При нормальном атмосферном давлении и температуре 37 oС в живом организме эти процессы протекают быстро, сберегая большое количество энергии.

Форма и химическое строение активного центра фермента должны быть таковы, чтобы с ним могло связаться только определённое соединение, которое называется субстратом данного фермента. Например, активный центр фермента лизоцима, содержащегося в слюне, слезах, слизистых верхних дыхательных путей, имеет вид щели, которая по форме и размеру точно соответствует фрагменту муреина – полисахарида оболочки бактерий. Таким образом, лизоцим играет роль одного из защитных барьеров нашего организма, разрушая муреиновую клеточную стенку бактерий и убивая их.

Установлено, что существует связь между ферментами, гормонами и витаминами. Известно, что авитаминозы и болезни, вызванные неправильной внутренней секрецией, объясняются нарушением обменных процессов организма.

С сырой пищей 60—80% ферментов достигают тонких кишок без изменений.

Витамин Е, которым насыщена свежая растительная пища, играет роль защитного фактора ферментов.

Источник

Ферменты. Строение, свойства и классификация

» data-shape=»round» data-use-links data-color-scheme=»normal» data-direction=»horizontal» data-services=»messenger,vkontakte,facebook,odnoklassniki,telegram,twitter,viber,whatsapp,moimir,lj,blogger»>

Ферменты: строение, свойства, классификация

Ферменты. Химическая природа, физико-химические свойства и биологическая роль.

Основу жизнедеятельности любого организма составляют химические процессы. Практически все реакции в живом организме протекают с участием природных биокатализаторов, называемых ферментами или энзимами.
Ферменты – это белки (установлено в 1922г), которые действуют как катализаторы в биологических системах.

Являясь веществами белкой природы, ферменты обладают всеми свойствами белков:

Биологическая роль ферментов заключается в том, что они катализируют контролируемое протекание всех метаболических процессов в организме.

Сравнение каталитического действия ферментов и неорганических катализаторов

Сходство ферментов и неорганических катализаторов

Отличие ферментов от неорганических катализаторов

1. Ускоряют только термодинамически возможные реакции

1. Для ферментов характерна высокая специфичность:
субстратная специфичность:

каталитическая специфичность (ферменты катализируют реакции преимущественно одного из типов химических реакций – гидролиза, окисления-восстановления и др)

2. Не изменяют состояние равновесия реакций, а только ускоряют его достижение.

3. В реакциях не расходуются

3. Ферменты действуют только в мягких условиях ( t = 36-37ºС, рН

7,4, атмосферное давление), т.к. они обладают конформационной лабильностью – способностью к изменению конформации молекулы под действием денатурирующих агентов (рН, Т, химические вещества).

4. Действуют в малых количествах

4. В организме действие ферментов регулируется специфически (катализаторы только неспецифически)

5. Чувствительны к активаторам и ингибиторам

5. Широкий диапазон действия (большинство процессов в организме катализируют ферменты).

В настоящее время учение о ферментах является центральным в биохимии и выделено в самостоятельную науку – энзимологию. Достижения энзимологии используются в медицине для диагностики и лечения, для изучения механизмов патологии, а, кроме того, и в других областях, например, в сельском хозяйстве, пищевой промышленности, химической, фармацевтической и др.

Классификация и номенклатура ферментов

Классификация ферментов основана на типе катализируемой химической реакции;
На основании 6 типов химических реакций ферменты, которые их катализируют, подразделяют на 6 классов, в каждом из которых несколько подклассов и поподклассов (4-13);
Каждый фермент имеет свой шифр КФ 1.1.1.1. Первая цифра обозначает класс, вторая – подкласс, третья – подподкласс, четвертая – порядковый номер фермента в его подподклассе (в порядке открытия).
Название фермента состоит из 2 частей: 1 часть – название субстрата (субстратов), 2 часть – тип катализируемой реакции. Окончание – АЗА;
Дополнительная информация, если необходима, пишется в конце и заключается в скобки: L-малат + НАДФ+ ↔ ПВК + СО2 + НАДН2 L-малат: НАДФ+ – оксидоредуктаза (декарбоксилирующая);
В правилах названия ферментов нет единого подхода.

1. Оксидоредуктазы
Катализируют окислительно-восстановительные реакции. В реакцию вступают 2 вещества и 2 образуются, одно окисляется, другое восстанавливается: Sвост + S’окисл ↔ S’вост + Sокисл
Оксидоредуктазы делятся на: дегидрогеназы (отщепляют Н от субстратов), оксидазы (переносят Н с субстрата на кислород), оксигеназы (включают кислород в молекулу субстрата), гидроксипероксидазы (разрушают перекиси водорода и органические перекиси).
Систематическое название включает в себя название донора е и Н+ через двоеточие название акцептора через тире – название класса: донор: акцептор ( косубстрат) оксидоредуктаза

R-CH2-OH + НАД+ ↔ R-CH=О + НАДН2
Систематическое название: Алкоголь: НАД+ оксидоредуктаза
Тривиальное название: алкогольдегидрогеназа. Шифр: КФ 1.1.1.1

Пируват + НАДН2 ↔ лактат + НАД+
Систематическое название: Лактат: НАД+ оксидоредуктаза
Тривиальное название: ЛДГ. Шифр: КФ 1.1.2.7

2. Трансферазы
Ферменты этого класса принимают участие в переносе атомных групп, молекулярных остатков от одного соединения к другому. В реакцию вступают 2 вещества и 2 образуются: S-G + S’ ↔ S + S’-G.
В зависимости от переносимых групп трансферазы делятся на: 1). фосфотрансферазы (киназы); 2). аминотрансферазы; 3). гликозилтрансферазы; 4). метилтрансферазы; 5). ацилтрансферазы.
Систематическое название: откуда: куда в какое положение–что–трансфераза
или донор: акцептор–транспортируемая группа– трансфераза

АТФ + D-гексоза ↔ АДФ + D- гексоза-6ф
Систематическое название: АТФ: D-гексоза-6-фосфотрансфераза
Тривиальное название: гексокиназа

ФЕП + АДФ → ПВК + АТФ
Систематическое название: АТФ: ПВК-2-фосфотрансфераза
Тривиальное название: пируваткиназа

3. Гидролазы. Расщепляют ковалентную связь с присоединением молекулы воды.
В реакцию вступают 2 вещества и 2 образуются: S-G + Н2О ↔ S-ОН + G-Н.
В зависимости от характера гидролизуемой связи, различают подклассы: 1). гликозидазы – гидролиз гликозидов (лактоза – лактаза, мальтоза – мальтаза, сахароза – сахараза); 2). пептидазы – гидролиз пептидных связей; 3). эстеразы – разрыв связи в сложных эфирах.
Систематическое название субстрат–что отщепляется–гидролаза
или субстрат–гидролаза
Ацетилхолин + Н2О ↔ Ацетат + Холин
Систематическое название: Ацетилхолин-ацилгидролаза (Ацетилхолин-гидролаза)
Тривиальное название: Ацетилхолинэстераза

Глюкозо-6ф + Н2О → глюкоза + Н3РО4
Систематическое название: Глюкозо-6ф-фосфогидролаза
Тривиальное название: Глюкозо-6ф-фосфотаза

5. Изомеразы
Взаимопревращения оптических, геометрических, позиционных изомеров. В реакцию вступает 1 вещество и 1 образуется. Исходя из типа катализируемой реакции изомеризации выделяется несколько подклассов:

Систематическое название субстрат–вид изомеризации–изомераза или субстрат–продукт–изомераза
Фумаровая к-та ↔ малеиновая к-та
Систематическое название: фумарат–цис,транс–изомераза

гл-6ф ↔ фр-6ф
Систематическое название: гл-6ф–фр-6ф–изомераза

6. Лигазы (синтетазы)
Соединение 2 молекул с использованием энергии макроэргических соединений (АТФ и др). В реакцию вступают 3 вещества, образуется 3 вещества.
Систематическое название субстрат: субстрат–лигаза (источник энергии)
АТФ + L-глутамат + NH4+ → АДФ + Фн + L-глутамин
Систематическое название: L-глутамат: аммиак–лигаза (АТФ → АДФ + Фн)
Тривиальное название: глутаминсинтетаза

АТФ + ПВК + СО2 → АДФ + Фн + ЩУК
Систематическое название: ПВК: СО2–лигаза (АТФ → АДФ + Фн)
Тривиальное название: пируваткарбокилаза

Ферменты: строение и свойства.

Ферменты – это специфические белки, которые действуют как катализаторы в биологических системах.
Являясь веществами белкой природы, ферменты обладают всеми свойствами белков:

Таблица 1. Сходство и отличие каталитического действия ферментов и неорганических катализаторов.

1. Ускоряют только термодинамически возможные реакции

2. В случае необратимых реакций, ускоряют и прямую и обратную реакцию

3. Чувствительны к активаторам и ингибиторам

4. Действуют в малых количествах

1. Действуют в мягких условиях ( t = 36-37ºС, рН

7,4, атмосферное давление)

2. Действие зависит от рН среды

4. Высокая специфичность

5. Действие ферментов в организме регулируется

6. Широкий диапазон ферментативного действия.

7. Высокая эффективность действия.

Строение ферментов

Метаболит – вещество, которое участвует в метаболических процессах.
Субстрат – вещество, которое вступает в химическую реакцию.
Продукт – вещество, которое образуется в ходе химической реакции.
Ферменты характеризуются наличием специфических центров катализа.

Активный центр (Ац) – это часть молекулы фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом и принимает непосредственное участие в катализе. Ац, как правило, находиться в нише (кармане). В Ац можно выделить два участка: участок связывания субстрата – субстратный участок (контактная площадка) и собственно каталитический центр.

Большинство субстратов образует, по меньшей мере, три связи с ферментом, благодаря чему молекула субстрата присоединяется к активному центру единственно возможным способом, что обеспечивает субстратную специфичность фермента. Каталитический центр обеспечивает выбор пути химического превращения и каталитическую специфичность фермента.
У группы регуляторных ферментов есть аллостерические центры, которые находятся за пределами активного центра. К аллостерическому центру могут присоединяться “+” или “–“ модуляторы, регулирующие активность ферментов.

Различают ферменты простые, состоят только из аминокислот, и сложные, включают также низкомолекулярные органические соединения небелковой природы (коферменты) и (или) ионы металлов (кофакторы).

Коферменты – это органические вещества небелковой природы, принимающие участие в катализе в составе каталитического участка активного центра. В этом случае белковую составляющую называют апоферментом, а каталитически активную форму сложного белка – холоферментом. Таким образом: холофермент = апофермент + кофермент.

В качестве коферментов функционируют:

РР (никотиновая кислота)

Кофермент, который присоединен к белковой части ковалентными связями называется простетической группой. Это, например, FAD, FMN, биотин, липоевая кислота. Простетическая группа не отделяется от белковой части. Кофермент, который присоединен к белковой части нековалентными связями называется косубстрат. Это, например, НАД+, НАДФ+. Косубстрат присоединяется к ферменту в момент реакции.

Кофакторы ферментов – это ионы металлов, необходимые для проявления каталитической активности многих ферментов. В качестве кофакторов выступают ионы калия, магния, кальция, цинка, меди, железа и т.д. Их роль разнообразна, они стабилизируют молекулы субстрата, активный центр фермента, его третичную и четвертичную структуру, обеспечивают связывание субстрата и катализ. Например, АТФ присоединяется к киназам только вместе с Mg2+.

Изоферменты – это множественные формы одного фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающие по физическим и химическим свойствам (сродству к субстрату, максимальной скорости катализируемой реакции, электрофоретической подвижности, разной чувствительности к ингибиторам и активаторам, оптимуму рН и термостабильности). Изоферменты имеют четвертичную структуру, которая образована четным количеством субъединиц (2, 4, 6 и т.д.). Изоформы фермента образуются в результате различных комбинаций субъединиц.

Можно выделить три группы коферментов:
1. Принимающие участие в окислительно-восстановительных реакциях: НАД, ФАД, KoQ.
2. Принимающие участие в переносе атомных групп: фосфопиридоксаль (активная форма В6, перенос аминогрупп), биотин (перенос диоксида углерода), перенос метильных и других групп.
3. Принимающие участие в реакциях синтеза, изомеризации и расщепления: тиаминпирофосфат (активная форма В1, декарбоксилирование кетокислот), тиаминдифосфат, коэнзим А (для активации субстрата, например – жирные кислоты).

В качестве примера можно рассмотреть лактатдегидрогеназу (ЛДГ), фермент, который катализирует обратимую реакцию:

ЛДГ существует в виде 5 изоформ, каждая из которых состоит из 4-х протомеров (субъединиц) 2 типов М (muscle) и Н (heart). Синтез протомеров М и Н типа кодируется двумя разными генетическими локусами. Изоферменты ЛДГ различаются на уровне четвертичной структуры: ЛДГ1 (НННН), ЛДГ2 (НННМ), ЛДГ3 (ННММ), ЛДГ4 (НМММ), ЛДГ5 (ММММ).
Полипептидные цепи Н и М типа имеют одинаковую молекулярную массу, но в составе первых преобладают карбоновые аминокислоты, последних – диаминокислоты, поэтому они несут разный заряд и могут быть разделены методом электрофореза.

Кислородный обмен в тканях влияет на изоферментный состав ЛДГ. Где доминирует аэробный обмен, там преобладают ЛДГ1, ЛДГ2 (миокард, надпочечники), где анаэробный обмен – ЛДГ4, ЛДГ5 (скелетная мускулатура, печень). В процессе индивидуального развития организма в тканях происходит изменение содержания кислорода и изоформ ЛДГ. У зародыша преобладают ЛДГ4, ЛДГ5. После рождения в некоторых тканях происходит увеличение содержания ЛДГ1, ЛДГ2.
Существование изоформ повышает адаптационную возможность тканей, органов, организма в целом к меняющимся условиям. По изменению изоферментного состава оценивают метаболическое состояние органов и тканей.

Локализация и компартментализация ферментов в клетке и тканях.
Ферменты по локализации делят на 3 группы:
I – общие ферменты (универсальные)
II – органоспецифические
III – органеллоспецифические

Общие ферменты обнаруживаются практически во всех клетках, обеспечивают жизнедеятельность клетки, катализируя реакции биосинтеза белка и нуклеиновых кислот, образование биомембран и основных клеточных органелл, энергообмен. Общие ферменты разных тканей и органов, тем не менее, отличаются по активности.

Органоспецифичные ферменты свойственны только определенному органу или ткани. Например: Для печени – аргиназа. Для почек и костной ткани – щелочная фосфатаза. Для предстательной железы – КФ (кислая фосфатаза). Для поджелудочной железы – α-амилаза, липаза. Для миокарда – КФК (креатинфосфокиназа), ЛДГ, АсТ и т.д.
Внутри клеток ферменты также распределены неравномерно. Одни ферменты находятся в коллоидно-растворенном состоянии в цитозоле, другие вмонтированы в клеточных органеллах (структурированное состояние).

Органеллоспецифические ферменты. Разным органеллам присущ специфический набор ферментов, который определяет их функции.
Органеллоспецифические ферменты это маркеры внутриклеточных образований, органелл:

В результате в клетке образуются отсеки (компартменты), которые отличаются набором ферментов и метаболизмом (компартментализация метаболизма).

Регуляторные ферменты – это относительно немногочисленная группа ферментов, которые способны отвечать на специфические регуляторные воздействия изменением активности. Эти ферменты локализуются в начале или в местах разветвления метаболических путей.

Среди ферментов выделяется немногочисленная группа регуляторных ферментов, которые способны отвечать на специфические регуляторные воздействия изменением активности. Эти ферменты имеются во всех органах и тканях и локализуются в начале или в местах разветвления метаболических путей.Строгая локализация всех ферментов закодирована в генах.
Определение в плазме или сыворотке крови активности органо- органеллоспецифических ферментов широко используется в клинической диагностике.

Увеличение активности ферментов в плазме (сыворотке) крови связано прежде всего с цитолизом (т.е. повышением проницаемости биомембран или их некрозом) и выходом ферментов в кровяное русло. При этом активность ферментов в поврежденном органе уменьшается, а в плазме (сыворотке) крови возрастает.
По измерению активности органеллоспецифических ферментов можно судить о тяжести патологического процесса.

Единицей ферментативной активности, рекомендуемой для употребления международным биохимическим союзом, является международная единица активности (МЕ).

МЕ – это количество фермента, которое катализирует превращение 1 мкМоля субстрата за 1 минуту (мкМоль/мин) в оптимальных условиях. Однако МЕ не может считатьсяединицей СИ, т.к. «минута» является внесистемной единицей. Тем не менее, в нашей стране, а особенно за рубежом МЕ/л – мкМоль/(мин*л) получила широкое распространение для выражения активности ферментов сыворотки крови. Кроме того, активность ферментов выражалась в различных внеклеточных единицах: мМоль/мин*л, мМоль/ч*л, мкМоль/ч*мл, мМоль/с*л и др.
Единицей СИ активности ферментов является катал (кат) и его производные (мккат и др.).

Катал – это количество фермента, которое катализирует превращение 1 Моль субстрата за 1 секунду (Моль/с). Следовательно, активность ферментов в клинико-диагностических исследованиях должна выражаться в каталах и его долях на литр, при этом необходимо помнить, что кат/л = Моль/с*л, мкат/л = мМоль/л*с и т.д.
Исключение составляют ферменты, у которых молекулярная масса субстрата неизвестна (например, амилаза). В этих случаях активность можно выражать в единицах массы субстрата, превращенном 1 л сыворотки крови за 1 с или 1 мин.

Ниже приводятся коэффициенты для перевода единиц ферментативной активности:

мкМоль/мин*л (МЕ/л) * 0,06 → мкат/л
мкат/л * 16,67 → мкМоль/мин*л (МЕ/л)
мМоль/с*л *10+6 → мкат/л
мкат/л *10-6→ мМоль/с*л
мкМоль/ч*л *3,6 → мкат/л
мкат/л * 0,2778→ мкМоль/ч*л

Таблица активности ферментов плазмы крови взрослых людей.

Активности в рекомендуемых единицах

Аланинаминотрансфераза

Фосфатный буфер, рН 7,4; 25˚С

Фосфатный буфер, рН 7,2; 37˚С (по убыли крахмала)

Фосфатный буфер, рН 7,2; 37˚С (но образованию редуцирующих углеводов)

Фосфатный буфер, рН 7,2; 25˚С

Фосфатный буфер, рН 7,4; 25˚С

Фосфатный буфер, рН 7,4; 37˚С

В норме не определяется

Веронал-ацетатный буфер, рН 7,4; 37˚С

Tpиc-HCl-буфер, рН 8,5; 37˚С

246-298 ед/10 9 эритроцитов

Триэтаноламиновый буфер, рН 8,0; 25˚С

Tpиc-HCl-буфер, рН 8,25; 25˚С

Tpиc-HCl-буфер, рН 7,4; 25˚С

Триэтаноламиновый буфер, рН 7,5; 25˚С

Триэтаноламиновый буфер, рН 7,2; 25˚С в присутствии тиолов как активаторов

Трис-буфер, рН 7,2; 37˚С, без активаторов

Фосфатный буфер, рН 7,5; 25˚С

Электрофорез в полиакриламидном геле

Фосфатный буфер, рН 7,4; 25˚С

Фосфатный буфер, рН 7,4; 25˚С

Мышьяковистый-HCl-буфер, рН 7,15; 37˚С

Триэтаноламиновый буфер, рН 7,5; 25˚С

Трис-буфер, рН 7,5; 37˚С

Эмульсия триглицеридов (оливковое масло)

Трис-буфер, рН 8.0; 37˚С

Фосфатный буфер 1\15 М, рН 7,8; 37˚С

Барбиталовый буфер, рН 5,0; 37˚С

Цитратный буфер, рН 4,8; 37˚С

Цитратный буфер в присутствии солей винной кислоты, рН 4,8; 37˚С

Барбиталовый буфер, рН 9,6; 37˚С

Глициновый буфер, рН 10,4; 37˚С

Гидразиновый буфер, рН 7,4; 37˚С

Коллидиновый буфер, рН 7,4; 37˚С

Коллидиновый буфер, рН 7,4; 37˚С

Коллидиновый буфер, рН 7,4; 37˚С

Фосфатный буфер, рН 7,2; 25˚С

Фосфатный буфер, рН 7,7; 25˚С

Примечание. Необходимо подчеркнуть, что получаемые величины активности можно трактовать только с учетом используемого метода и конкретных условий определения.

Регуляция активности ферментов в клетке. Общие представления о гормонах и их роли в регуляции активности ферментов.

Одним из важнейших свойств живых организмов является способность к поддержанию гомеостаза. Гомеостаз в организме поддерживается за счет регуляции скорости ферментативных реакций.

Эта регуляция осуществляется:

I. Доступность молекул субстратов обеспечивается контролируемой работой трансмембранных транспортных систем. Например, количество в мембране ГЛЮТов (трансмембранных переносчиков глюкозы) определяет скорость поступления глюкозы в цитоплазму клеток и скорость метаболических процессов, в которых она используется (гликолиз, ПФШ, гликогенез).

Доступность коферментов зависит от скорости их регенерации. В результате, чем больше концентрация исходного субстрата и регенерированных коферментов, тем выше скорость метаболического пути. Например, дефицит НАД+ лимитирует реакции ЦТК.

II. Регуляция каталитической активности ферментов. Бывает:

Механизмы специфической регуляции каталитической активности ферментов:

а). Регуляция путем фосфорилирования/дефосфорилирования фермента;
б). Регуляция частичным протеолизом.

1). Аллостерическая регуляция каталитической активности ферментов. Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых регулируется обратимым нековалентным присоединением модулятора (активатора и ингибитора) к аллостерическому центру. Ингибиторами аллостерических ферментов часто являются конечные продукты метаболических путей, активаторами – их начальные субстраты. Активирование происходит по принципу прямой положительной связи, а ингибирование – по принципу отрицательной обратной связи.

Аллостерические ферменты играют важную роль в регуляции т.к. чрезвычайно быстро реагируют на изменения среды. Например, конечный продукт катаболизма глюкозы АТФ ингибирует аллостерически ферменты гликолиза фосфофруктокиназу и пируваткиназу. Накапливаемая в гликолизе фруктоза-1,6-ф активирует пируваткиназу, что ускоряет реакции гликолиза.

2). Регуляция каталитической активности ферментов с помощью белок-белковых взаимодействий.

Выделяют 2 механизма:

3). Регуляция каталитической активности ферментов путем их ковалентной модификации. Регуляция активности фермента осуществляется в результате ковалентного присоединения или отщепления от него фрагмента.

Она бывает 2 видов:

а). Регуляция каталитической активности ферментов путем их фосфорилирования и дефосфорилирования. Фосфорилирование осуществляется протеинкиназами (ПК) по ОН-группе серина, треонина или тирозина регуляторный белков и ферментов. Дефосфорилирование в этих же положениях осуществляется фосфопротеинфосфатазами (ФПФ).

Введение отрицательно заряженной фосфорной группы приводит к обратимому изменению конформации и активности фермента.

Например, под действием глюкагона и адреналина в клетках печени происходит фосфорилирование ключевых ферментов гликогенеза (гликогенсинтаза) и гликогенолиза (гликогенфосфорилаза), при этом распад гликогена активируется, а синтез ингибируется. Инсулин наоборот вызывает в клетках печени дефосфорилирование тех же ключевых ферментов, в результате синтез гликогена активируется, а распад ингибируется.

б). Регуляция каталитической активности ферментов путем их частичного протеолиза. При участии активаторов и протеолитических ферментов происходит отщепление части молекулы фермента и его необратимая активация. Такой фермент функционирует короткий период, а затем разрушается. Подобная схема активации характерна для внеклеточных ферментов ЖКТ (пепсин, трипсин, химотрипсин и др.) и ферментов свертывающей и противосвертывающей системы крови (тромбин, фибрин, плазмин др.). Например, трипсиноген, синтезируемый в поджелудочной железе, поступает в двенадцатиперстную кишку, где энтеропептидаза кишечника отщепляет у него с N-конца гексапептид. В результате в оставшейся части молекулы фермента формируется активный центр.

III. Механизмы регуляции количества ферментов

Количество ферментов в клетке зависит от скорости их синтеза и распада. Синтез ферментов регулируется индукторами и репрессорами. В качестве индукторов и репрессоров выступают некоторые метаболиты, гормоны и биологически активные вещества.

Индукторы – это вещества которые запускают синтез ферментов. Процесс запуска синтеза ферментов называется индукцией. Например, у бактерий ферменты синтезируются только при наличии для них субстратов, которые являются для этих ферментов индукторами (у E. coli лактоза индуктор β-галактозидазы). Не все ферменты чувствительны к индукторам. Ферменты, концентрация, которых зависит от добавления индукторов, называются индуцируемыми ферментами (органоспецифические ферменты). Ферменты, концентрация которых постоянна и не регулируется индукторами, называются конститутивными ферментами (ферменты гликолиза, синтеза РНК и т.д.). Для индуцируемых ферментов выделяют понятие базовый уровень, это концентрация фермента при отсутствии индуктора. При индукции базовый уровень фермента может быть превышен от 2 до 1000 раз.

Репрессоры (корепрессоры) – вещества, которые останавливают синтез ферментов. Процесс остановки синтеза ферментов называется репрессией.

Дерепрессия – процесс возобновления синтеза ферментов после удаления из среды репрессора или истощения его запасов. Часто один индуктор или репрессор регулируют синтез сразу нескольких ферментов участвующих в одном метаболическом пути. Гены этих ферментов собраны в оперон.

Оперон – участок молекулы ДНК, который содержит информацию о группе функционально взаимосвязанных структурных генов и регуляторную зону, промотор, контролирующую транскрипцию этих генов. Индукция и репрессия синтеза ферментов оперона называется координированной.

Координированная индукция – все ферменты, кодируемые генами оперона, индуцируются одним индуктором.

Координированная репрессия – остановка синтеза ферментов оперона одним репрессором. В промоторе оперона имеется участок оператор, необходимый для присоединения репрессора.

Репрессор синтезируется с гена-регулятора.

Катаболическая репрессия – более выгодный субстрат окисления ингибирует ферменты окисления менее выгодного субстрата. Распад ферментов идет под действием гидролитических ферментов. Они активно атакуют ферменты, структура которых подверглась модификации (например, денатурации) под действием различных неблагоприятных факторов.

Клеточная сигнализация

В многоклеточных организмах поддержание гомеостаза обеспечивают 3 системы:

Регуляторные системы функционируют с участием сигнальных молекул.

Сигнальные молекулы – это органические вещества, которые переносят информацию. К сигнальным молекулам относятся гормоны, нейромедиаторы, факторы роста, цитокины и эйкозаноиды. ЦНС для передачи сигнала использует нейромедиаторы, гуморальная система – гормоны, иммунная – цитокины.

Гормоны – это сигнальные молекулы беспроводного системного действия. Отличием истинных гормонов от других сигнальных молекул, является то, что они синтезируются в специализированных эндокринных клетках, транспортируются кровью и действуют дистантно на ткани мишени.

Гормоны по строению делятся на:

Пептидные гормоны и катехоламины растворимы в воде, они регулируют преимущественно каталитическую активность ферментов. Стероидные и тиреоидные гормоны водонерастворимы, они регулируют преимущественно количество ферментов.

Гормоны влияют на активность и количество ферментов в клетке не напрямую, а через каскадные системы (аденилатциклазную, гуанилатциклазную, инозитолтрифосфатную, RAS и т.д.), состоящие из:

Необходимость каскадных систем связана с тем, что, во-первых, водорастворимые гормоны не проходят клеточную мембрану, во-вторых, эти системы обеспечивают усиление первичного сигнала гормонов в миллионы раз. В результате даже одна молекула гормона способна активировать миллионы ферментов и вызвать метаболический эффект. Водонерастворимые гормоны самостоятельно проходят клеточные мембраны и реализуют свой эффект с участием цитоплазматических и ядерных рецепторов.

Рецепторы

Рецепторы – это белки, встроенные в клеточную мембрану или находящиеся внутри клетки, которые, взаимодействуя с сигнальными молекулами, меняют активность регуляторных белков.

По локализации рецепторы делятся на:

По эффекту рецепторы делятся на:

Участие рецепторов в трансмембранной передаче сигнала:

По механизму передачи сигнала рецепторы делятся на 4 типа:

Рецепторы с ферментативной активностью бывают 3 видов:

Эти рецепторы находятся на мембране и в цитоплазме:

Мембранная ГЦ – гликопротеин (180кДа), имеет 3 домена: внеклеточный рецепорный, трансмембранный и внутриклеточный каталитический. Активируется предсердным натрийуретическим фактором (АНФ), термостабильным токсином грамотрицательных бактерий, эндотелийпроизводным фактором, ацетилхолином+Са2+, серотонином, гистамином и т.д. Существует 3 вида.

Цитоплазматическая ГЦ состоит из α и β субъединиц и содержит гем, активируется оксидом азота NO (а также Н2О2, О2, жирными кислотами и продуктами ПОЛ).

3). Рецепторы, сопряженные с G-белками (GPCR от англ. G – protein coupled receptor), по строению их еще называют серпантинными. Это мономерные интегральные мембранные белки, полипептидная цепь которых 7 раз пронизывает клеточную мембрану. Внеклеточный домен GPCR обеспечивает взаимодействие с гормоном, а внутриклеточный – контакт с G-белками. В настоящее время открыто более 200 видов GPCR. К GPCR относятся: α и β рецепторы. К GPCR присоединяются: адреналин (рецепторы α1 и α2, β1 и β2), ацетилхолин (рецепторы М1, М2, М3, М4), серотонин (1А, 1В, 1С, 2), дофамин (Д1 и Д2), АКТГ, ТТГ, ФСГ, ЛГ, хорионический гонадотропин, простагландины, гастрин, холецистокинин, нейропептид Y, нейромедин К, вазопрессин, ангиотензин, вещество К, вещество Р, или нейрокинин 1, 2 и 3 типа, тромбин, интерлейкин-8, глюкагон, кальцитонин, секретин, соматолиберин, ВИП, гипофизарный аденилатциклазактивирующий пептид, глютамат (MG1 – MG7), аденин.

GPCR через G-белки активируют аденилатциклазную и инозитолтрифосфатную системы. GPCR инактивируются:

GPCR участвуют почти во всех жизненно важных процессах, протекающих в организме: они поддерживают работу сердца, органов пищеварения и дыхания, мозговую деятельность. Примерно половина современных лекарств взаимодействуют с GPCR.

4). Ядерные и цитоплазматические рецепторы. Находятся в цитоплазме или ядре, при взаимодействии с гормоном, образуют комплекс, который присоединяется к регуляторной нуклеотидной последовательности в ДНК, изменяет доступность промотора для РНК-полимеразы, соответственно меняет скорость транскрипции мРНК и трансляции новых ферментов. Ядерные и цитоплазматические рецепторы содержат ДНК-связывающий домен, характеризующийся наличием двух структур «цинковых пальцев». Особенностью цитоплазматических рецепторов является связь с белком-шапероном, который стабилизирует их структуру. Разные клетки организма, в зависимости от функций, имеют определенный набор рецепторов. На мембране одной клетки может быть более десятка разных типов рецепторов.

Регуляторные белки

G-белки – универсальные посредники, передающие сигнал от рецепторов к ферментам клеточных мембран.

В настоящее время известно более 50 G-белков:

STAT белки. Вторичные посредники (мессенджеры)

Мессенджеры – низкомолекулярные вещества, переносящие сигналы гормонов внутри клетки. Они обладают высокой скоростью перемещения, расщепления или удаления (Са2+, цАМФ, цГМФ, ДАГ, ИТФ). Нарушения обмена мессенджеров приводят к тяжелым последствиям. Например, форболовые эфиры, которые являются аналогами ДАГ, но в отличие от которого в организме не расщепляются, способствуют развитию злокачественных опухолей.

цАМФ открыта Сазерлендом в 50 годах прошлого века. За это открытие он получил Нобелевскую премию. цАМФ участвует в мобилизации энергетических запасов (распад углеводов в печени или триглицеридов в жировых клетках), в задержке воды почками, в нормализации кальциевого обмена, в увеличении силы и частоты сердечных сокращений, в образовании стероидных гормонов, в расслаблении гладких мышц и так далее.

цГМФ активирует ПК G, ФДЭ, Са2+-АТФазы, закрывает Са2+-каналы и снижает уровень Са2+ в цитоплазме.

Ферменты

Ферменты каскадных систем катализируют:

Аденилатциклаза (АЦ)

Гликопротеин с массой от 120 до 150 кДа, имеет 8 изоформ, ключевой фермент аденилатциклазной системы, с Mg2+ катализирует образование вторичного посредника цАМФ из АТФ. АЦ содержит 2 –SH группы, одна для взаимодействия с G-белком, другая для катализа. АЦ содержит несколько аллостерических центров: для Mg2+, Mn2+, Ca2+, аденозина и форсколина. Есть во всех клетках, располагается на внутренней стороне клеточной мембраны. Активность АЦ контролируется: 1) внеклеточными регуляторами – гормонами, эйкозаноидами, биогенными аминами через G-белки; 2) внутриклеточным регулятором Са2+ (4 Са2+-зависимые изоформы АЦ активируются Са2+).

Протеинкиназа А

(ПК А) ПК А есть во всех клетках, катализируют реакцию фосфорилирования ОН- групп серина и треонина регуляторных белков и ферментов, участвует в аденилатциклазной системе, стимулируется цАМФ. ПК А состоит из 4 субъединиц: 2 регуляторных R (масса 38000 Да) и 2 каталитических С (масса 49000 Да). Регуляторные субъединицы имеют по 2 участка связывания цАМФ. Тетрамер не обладает каталитической активностью. Присоединение 4 цАМФ к 2 субъединицам R приводит к изменению их конформации и диссоциации тетрамера. При этом высвобождаются 2 активные каталитические субъединицы С, которые катализируют реакцию фосфорилирования регуляторных белков и ферментов, что изменяет их активность.

Протеинкиназа С (ПК С)

ПК С участвует в инозитолтрифосфатной системе, стимулируется Са2+, ДАГ и фосфатидилсерином. Имеет регуляторный и каталитический домен. ПК С катализирует реакцию фосфорилирования белков-ферментов.

Протеинкиназа G (ПК G)

Есть только в легких, мозжечке, гладких мышцах и тромбоцитах, участвует в гуанилатциклазной системе. ПК G содержит 2 субъединицы, стимулируется цГМФ, катализирует реакцию фосфорилирования белков-ферментов.

Фосфолипаза С (ФЛ С)

Гидролизует фосфоэфирную связь в фосфатидилинозитолах с образованием ДАГ и ИФ3, имеет 10 изоформ. ФЛ С регулируется через G-белки и активируется Са2+.

Фосфодиэстеразы (ФДЭ)

ФДЭ превращает цАМФ и цГМФ в АМФ и ГМФ, инактивируя аденилатциклазную и гуанилатциклазную систему. ФДЭ активируется Са2+, 4Са2+-кальмодулином, цГМФ.

NO-синтаза – это сложный фермент, представляющий собой димер, к каждой из субъединиц которого присоединено несколько кофакторов. NO-синтаза имеет изоформы.

Синтезировать и выделять NO способно большинство клеток организма человека и животных, однако наиболее изучены три клеточные популяции: эндотелий кровеносных сосудов, нейроны и макрофаги. По типу синтезирующей ткани NO-синтаза имеет 3 основные изоформы: нейрональную, макрофагальную и эндотелиальную (обозначаются соответственно как NO-синтаза I, II и III).

Нейрональная и эндотелиальная изоформы NO-синтазы постоянно присутствуют в клетках в небольших количествах, и синтезируют NO в физиологических концентрациях. Их активирует комплекс кальмодулин-4Са2+. NO-синтаза II в макрофагах в норме отсутствует. При воздействии на макрофаги липополисахаридов микробного происхождения или цитокинов они синтезируют огромное количество NO-синтазы II (в 100-1000 раз больше чем NO-синтазы I и III), которая производит NO в токсических концентрациях. Глюкокортикоиды (гидрокортизон, кортизол), известные своей противовоспалительной активностью, ингибируют экспрессию NO-синтазы в клетках.

Действие NO

NO – низкомолекулярный газ, легко проникает через клеточные мембраны и компоненты межклеточного вещества, обладает высокой реакционной способностью, время его полураспада в среднем не более 5 с, расстояние возможной диффузии небольшое, в среднем 30 мкм.

В физиологических концентрациях NO оказывает мощное сосудорасширяющее действие:

На этом принципе действует препарат нитроглицерин. При расщеплении нитроглицерина образуется NO, приводящий к расширению сосудов сердца и снимающий в результате этого чувство боли.

NO регулирует просвет мозговых сосудов. Активация нейронов какой-либо области мозга приводит к возбуждению нейронов, содержащих NO-синтазу, и/или астроцитов, в которых также может индуцироваться синтез NO, и выделяющийся из клеток газ приводит к локальному расширению сосудов в области возбуждения.

NO участвует в развитии септического шока, когда большое количество микроорганизмов, циркулирующих в крови, резко активируют синтез NO в эндотелии, что приводит к длительному и сильному расширению мелких кровеносных сосудов и как следствие – значительному снижению артериального давления, с трудом поддающемуся терапевтическому воздействию.

В физиологических концентрациях NO улучшает реологические свойства крови:

В больших концентрациях NO оказывает на клетки (бактериальные, раковые и т.д) цитостатическое и цитолитическое действие следующим образом:

Трансмембранная передача информации с участием аденилатциклазной системы

Последовательность событий, приводящих к каталитической активации ферментов

1). 1 Гормон (Г) присоединяется к Rs-рецептору с образованием гормон-рецепторного комплекса, который через несколько Gs-белков активирует несколько аденилатциклаз (комплекс гормон-Ri-рецептор через Gi-белки ингибирует аденилатциклазы);

2). 1 Аденилатциклаза превращает тысячи АТФ в тысячи цАМФ;

3). 4 цАМФ обратимо присоединяясь к 2 рецепторным субъединицам R ПК А, вызывают диссоциацию протомеров ПК А с освобождением 2 активных каталитических субъединиц С и двух 2цАМФ-R;

4). 1 Субъединица С ПК А фосфорилирует сотни ферментов или регуляторных белков, что способствует их активации или ингибированию. Таким образом, сигнал 1 гормона в аденилатциклазной системе суммарно усиливается в 106-107 раз;

5). Миллионы активных ферментов превращают молекулы субстрата в продукты. Инактивация аденилатциклазной системы осуществляется через ФДЭ и ФПФ. ФДЭ разрушает цАМФ до АМФ, это приводит к самосборке субъединиц ПК А и ее инактивации. ФПФ инактивирует (активирует) фермент в реакции гидролитического дефосфорилирования.

Посредством стимуляции аденилатциклазной системы оказывают гормональное действие кортиколиберин, кальцитонин, соматолиберин, ВИП, глюкагон, вазопрессин (через V2 рецепторы), ЛГ, ФСГ, ТТГ, хорионический гонадотропин, АКТГ, паратгормон, простагландины типа Е, D и I, адренергические катехоламины (через α2, β1и β 2 рецепторы).

Аденилатциклазная система активируется:

Угнетают аденилатциклазную систему гормоны: (через Gs-белки соматостатин), ангиотензин II, ацетилхолин (мускариновый эффект), дофамин, опиоиды и a2-адренергические катехоламины.

Трансмембранная передача информации с участием инозитолтрифосфатной системы

Последовательность событий, приводящих к каталитической активации ферментов

1). Гормон (Г) присоединяется к R-рецептору с образованием гормон-рецепторного комплекса, который через G-белок активирует фосфолипазу С;

2). Фосфолипаза С расщепляет фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат (ФИФ2) клеточной мембраны на инозитолтрифосфат (ИТФ) и диацилглицерин (ДАГ);

3). ИФ3 присоединяясь к рецептору на мембране ЭПР, открывает кальциевые каналы, выпуская Са2+ из ЭПР в цитоплазму;

4). Са2+, ДАГ и фосфотидилсерин активируют ПК С, которая превращает субстрат в продукт.

5). 4 Са2+ присоединяются к кальмодулину, способствуя присоединению кальмодулина к ферменту и образованию активного комплекса 4Са2+-кальмодулин-фермент, который превращает субстрат в продукт. Инактивация инозитолтрифосфатной системы осуществляется кальциевыми насосами, которые откачивают Са2+ из цитоплазмы.

Посредством стимуляции инозитолтрифосфатной системы оказывают гормональное действие гонадолиберин, тиролиберин, дофамин, тромбоксаны А2, эндоперекиси, лейкотриены, агниотензин II, эндотелин, паратгормон, нейропептид Y, адренергические катехоламины (через α1 рецепторы), ацетилхолин, брадикинин, вазопрессин (через V1 рецепторы).

Инозитолтрифосфатная система активируется:

Трансмембранная передача информации с участием гуанилатциклазной системы

Последовательность событий, приводящих к каталитической активации ферментов

1). Гуанилатциклазная система функционирует в легких, почках, кишечнике, сердце, надпочечниках, эндотелии кишечника, сетчатке и др. Она участвует в регуляции водно-солевого обмена и тонуса сосудов, вызывает релаксацию и т.д.

Ацетилхолин и гистамин → эндотелии сосудов → оксида азота → ГМК сосудов → цГМФ → расслабление гладких мышц сосудов.

Увеличение давления крови → предсердие → АНФ → почки → цГМФ → усиление секреции Na+ и H2O → усиление выведения из организма Na+ и H2O → снижение давления крови

Увеличение давления крови → предсердие → АНФ → ГМК сосудов → цГМФ → расслабление гладких мышц сосудов → снижение давления крови

Грамотрицательные бактерии → термостабильный токсин → эндотелий кишечника → цГМФ → торможение всасывания воды в кишечнике → диарея

Через образование оксида азота реализует свое действие ряд очень эффективных средств для лечения стенокардии (нитраты) и корректоров эректильной дисфункции (например, известный препарат Виагра).

Трансмембранная передача информации с участием цитоплазматических и ядерных рецепторов

Через цитоплазматические и ядерные рецепторы действуют кортикоиды, половые и тиреоидные гормоны.

Последовательность событий, приводящих к активации транскрипции и биосинтезу ферментов:

1). Освобождаясь от белка, гормон самостоятельно проходит клеточную мембрану и в цитоплазме присоединяется к цитоплазматическому рецептору с образованием гормон-рецепторного комплекса;

2). Гормон-рецепторный комплекс мигрирует в ядро, где присоединяется к регуляторной нуклеотидной последовательности в ДНК – энхансером или сайленсером.

3). При взаимодействии с энхансером увеличивается, а с сайленсером уменьшается доступность промотора для РНК-полимеразы, соответственно меняется скорость транскрипции мРНК и трансляции новых ферментов;

4). Ферменты превращают субстраты в продукты.

Иногда, гормон самостоятельно проникает в ядро, где соединяется с ядерным рецептором, образуя гормон-рецепторный комплекс. Этот комплекс также присоединяется к ДНК, запускает или блокирует процесс транскрипции мРНК и трансляции новых ферментов.

Изменение количества ферментов и интенсивности метаболизма под действием стероидных и териоидных гормонов происходит в течение нескольких часов.

Механизм действия ферментов.

Проблема строения и механизма действия ферментов насчитывает более 100 лет. Здесь будут рассмотрены лишь основные, этапные моменты ее развития. Белковая природа ферментов была окончательно установлена лишь в 30-х годах 20 века. Поэтому все представления о механизме действия ферментов до этого времени основывались преимущественно на исследованиях гомогенного химического катализа. Повышение скорости химических реакций под действием ферментов объяснялось активацией субстрата в образующемся фермент-субстратном комплексе.

Для объяснения высокой специфичности ферментов по отношению к определенным субстратам Э. Фишер в 1894г выдвинул гипотезу о строгом соответствии геометрической формы субстрата и активного центра фермента. Согласно предложенной им модели субстрат и фермент должны подходить друг к другу как ключ к замку:

Большой вклад в изучение механизма действия ферментов внесли Л. Михаэлис и М. Ментен (1913г), которые изучая кинетику ферментативных реакций пришли к выводу о том, что они включают несколько основных этапов:

Дальнейшим развитием теории Фишера явилось теория индуцированного (вынужденного) соответствия Д. Е. Кошланда (1959г), которая базировалась на данных исследований, включавших не только кинетический анализ, но и химическую модификацию радикалов аминокислот в молекуле фермента, ингибирование ферментов разными соединениями, изучение фермент-субстратных комплексов методами ренгено-структурного анализа, спектрографии и кристаллографии. Согласно этой теории полное соответствие центра и субстрата наступает лишь в процессе взаимодействия фермента с субстратом, который вызывает (индуцирует) необходимые конформационные изменения фермента.

Гипотеза «индуцированного соответствия» предполагает существование между ферментом и субстратом не только геометрического, но и электростатического соответствия, обусловленного спариванием противоположно заряженных групп субстрата и активного центра фермента, что является условием образования активного комплекса. В настоящее время считается установленным, что «индуцированное соответствие» фермента и субстрата достигается не только за счет конформационных изменений фермента, но и сопровождается геометрической и электронной перестройкой субстрата.

Определенный вклад в развитие представлений о ферментативном катализе внесла кислотно-основная теория катализа. Но дальнейшие исследования показали, что подход к рассмотрению действия ферментов с позиций обычного кислотно-основного катализа является упрощенным. В активном центре фермента, как правило, наличествует несколько реакционных центров, поэтому более правильно подходить к оценке их действия с позиции полифункционального катализа.

Все эти выводы включает в себя современная теория промежуточных соединений, согласно которой фермент при взаимодействии с субстратом образует комплекс, в котором реакционная способность исходных компонентов выше, чем в нативном состоянии. Через ряд промежуточных соединений происходит превращение субстрата в продукты реакции, при этом могут реализоваться разные механизмы катализа (кислотно-основной, электрофильный, нуклеофильный).

Кинетика ферментативных реакций.

Ферментативная кинетика изучает влияние различных факторов (концентрация S и E, рН, температура, давление, ингибиторы и активаторы) на скорость ферментативных реакций. Главной целью изучения кинетики ферментативных реакций является получение информации, позволяющей глубже понять механизм действия ферментов.

Кинетическая кривая позволяет определить начальную скорость реакции V0.

Кривая субстратного насыщения.

График зависимости V от концентрации субстрата при фиксированной концентрации фермента представляет собой гиперболу. Вначале скорость реакции прямо пропорциональна концентрации субстрата [S] (кинетика первого порядка). Однако при увеличении [S] скорость постепенно достигает максимального значения VMAX. Это означает, что все связывающие участки фермента заняты (насыщены). Скорость реакции на этом участке не зависит от концентрации субстрата (кинетика нулевого порядка). Такую кривую называют кривой субстратного насыщения.

Зависимость скорости реакции от концентрации фермента.

При постоянной концентрации субстрата существует прямо пропорциональная зависимость между скоростью реакции и концентрацией фермента [E] в реакционной смеси. Другими словами, для данной концентрации субстрата скорость реакции возрастает в 2 раза при двукратном увеличении концентрации фермента.

Зависимость скорости реакции от температуры.

Ферменты – вещества белковой природы, проявляют максимальную активность в ограниченном температурном режиме. При температурах не выше 40-50С скорость реакции увеличивается согласно теории химической кинетики. При более высоких температурах тепловая денатурация фермента приводит к полному прекращению ферментативной реакции. Термолабильность ферментов отличает ферменты от неорганических катализаторов.

Зависимость скорости реакции от рН.

Оптимум рН действия большинства ферментов лежит в пределах физиологических значений 6,0-8,0. Пепсин активен при рН 1,5-2,0, что соответствует кислотности желудочного сока. Аргиназа, специфичный фермент печени, активен при 10,0. Влияние рН среды на скорость ферментативной реакции связывают с состоянием и степенью ионизации ионогенных групп в молекуле фермента и субстрата. Этот фактор определяет конформацию белка, состояние активного центра и субстрата, формирование фермент-субстратного комплекса, собственно процесс катализа.

Математическое описание кривой субстратного насыщения, константа Михаэлиса.

Уравнение, описывающее кривую субстратного насыщения, было предложено Михаэлисом и Ментон и носит их имена (уравнение Михаэлиса-Ментен):

V = (VMAX*[S])/(Km+[S]), где Km – константа Михаэлиса. Легко рассчитать, что при V = VMAX/2 Km = [S], т.е. Km – это концентрация субстрата, при которой скорость реакции составляет ½ VMAX.

С целью упрощения определения величины VMAX и Km уравнение Михаэлиса-Ментен можно пересчитать.
1/V = (Km+[S])/(VMAX*[S]),
1/V = Km/(VMAX*[S]) + 1/VMAX,

1/V = Km/VMAX*1/[S] + 1/VMAX уравнение Лайнуивера-Берка. Уравнение, описывающее график Лайнуивера-Берка – это уравнение прямой линии (y = mx + c), где 1/VMAX – это отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат; Km/VMAX – тангенс угла наклона прямой; пересечение прямой с осью абсцисс дает величину 1/Km. График Лайнуивера-Бэрка позволяет определить Km по относительно небольшому числу точек. Этот график также используют при оценке действия ингибиторов, о чем будет сказано ниже. Значение Km изменяются в широких пределах: от 10-6 моль/л для очень активных ферментов, до 10-2 – для малоактивных ферментов.

Оценки Km имеют практическую ценность. При концентрациях субстрата в 100 раз превышающих Km, фермент будет работать практически с максимальной скоростью, поэтому максимальная скорость VMAX будет отражать количество присутствующего активного фермента. Это обстоятельство используют для оценки содержания фермента в препарате. Кроме того, Km является характеристикой фермента, что используется для диагностики энзимопатий.

Ингибирование активности ферментов.

Чрезвычайно характеристикой и важной особенностью ферментов является их инактивация под влиянием определенных ингибиторов.

Ингибиторы – это вещества, вызывающие частичное или полное торможение реакций, катализируемых ферментами. Ингибирование ферментативной активности может быть необратимым или обратимым, конкурентным или неконкрентным.

Необратимое ингибирование – это стойкая инактивация фермента, возникающая в результате ковалентного связывания молекулы ингибитора в активном центре или в другом особом центре, изменяющим конформацию фермента. Диссоциация столь устойчивых комплексов с регенерацией свободного фермента практически исключена. Для преодоления последствий такого ингибирования организм должен синтезировать новые молекулы фермента.

Обратимое ингибирование – характеризуется равновесным комплексообразованием ингибитора с ферментом за счет нековалентных связей, вследствие чего такие комплексы способны к диссоциации с восстановлением активности фермента. Классификация ингибиторов на конкурентные и неконкурентные основана на том, ослабляется (конкурентное ингибирование) или не ослабляется (неконкурентное ингибирование) их ингибирующие действие при повышении концентрации субстрата.

Конкурентные ингибиторы – это, как правило, соединения, структура которых сходна со структурой субстрата. Это позволяет им связываться в том же активном центре, что и субстраты, препятствуя взаимодействию фермента с субстратом уже на стадии связывания. После связывания ингибитор может быть превращен в некий продукт или остается в активном центре, пока не произойдет диссоциация. Обратимое конкурентное ингибирование можно представить в виде схемы:

Степень ингибирования фермента определяется соотношением концентраций субстрата и фермента. Классическим примером подобного типа ингибирования является торможение активности сукцинатдегидрогеназы (СДГ) малатом, который вытесняет сукцинат из субстратного участка и препятствует его превращению в фумарат:

Ковалентное связывание ингибитора в активном центре приводит к инактивации фермента (необратимое ингибирование). Примером необратимого конкурентного ингибирования может служить инактивация триозофосфатизомеразы 3-хлорацетолфосфатом. Этот ингибитор является структурным аналогом субстрата – диоксиацетонфосфата и необратимо присоединяется к остатку глутаминовой кислоты в активном центре:

Некоторые ингибиторы действуют менее избирательно, взаимодействуя с определенной функциональной группой в составе активного центра разных ферментов. Так, связывание йодацетата или его амида с SH-группой аминокислоты цистеина, находящийся в активном центре фермента и принемающей участие в катализе, приводит к полной утрате активности фермента:

R-SH + JCH2COOH → HJ + R-S-CH2COOH

Поэтому эти ингибиторы инактивируют все ферменты, которые имеют SH-группы, участвующие в катализе. Необратимое ингибирование гидролаз при действии нервно-паралитических газов (зарин, зоман) обусловлено их ковалентным связыванием с остатком серина в активном центре.

Метод конкурентного ингибирования нашел широкое применение в медицинской практике. Сульфаниламидные препараты – антагонисты п-аминобензойной кислоты, могут служить примером метаболизируемых конкурентных ингибиторов. Они связываются с дигидроптератсинтетазой – бактериальным ферментом, осуществляющим превращение п-аминобензоата в фолиевую кислоту, необходимую для роста бактерий. Бактерия погибает в результате того, что связавшийся сульфаниламид превращается в другое соединение и фолиевая кислота не образуется.

Неконкурентные ингибиторы обычно связываются с молекулой фермента в участке, отличном от места связывания субстрата, и субстрат непосредственно не конкурирует с ингибитором. Поскольку ингибитор и субстрат связываются с разными центрами возможно образование как комплекса E-I, так и комплекса S-E-I. Комплекс S-E-I тоже распадается с образованием продукта, однако с меньшей скоростью, чем E-S, поэтому реакция будет замедляться, но не остановится. Таким образом, могут протекать следующие параллельные реакции:

Обратимое неконкурентное ингибирование встречается сравнительно редко. Неконкурентные ингибиторы называют аллостерическими в отличие от конкурентных (изостерических). Обратимое ингибирование может быть количественно изучено на основе уравнения Михаэлиса-Ментен.

При конкурентном ингибировании VMAX остается постоянной, а Km возрастает.

При неконкурентном ингибировании снижается VMAX при неизменном Km.

Если продукт реакции ингибирует фермент, катализирующий его образование, такой способ ингибирования называется ретроингибированием или ингибированием по принципу обратной связи. Например, глюкоза тормозит глюкозо-6-фосфатазу, которая катализирует гидролиз глюкозо-6-фосфата. Биологическое значение такого ингибирования – регуляция определенных метаболических путей (см. следующее занятие).

Медицинская энзимология

Энзимология – это раздел биохимии, изучающий ферменты и катализируемые ими реакции. Медицинская энзимология – это энзимология, которая изучает применение ферментов в медицине.

В медицинской энзимологии выделяют три основных направления:

I. Энзимопатология

Энзимопатология – это наука, которая изучает энзимопатии. Энзимопатии – это группа заболеваний, которые вызваны различными дефектами ферментов.

Энзимопатий делятся на: наследственные (первичные) и приобретенные (вторичные).

1. Наследственные энзимопатии

Наследственные энзимопатии – это заболевания, вызванные наследственными нарушениями биосинтеза ферментов или их структуры и функции. В норме:

Полное или частичное нарушения биосинтеза ферментов вызывают дефекты генов регуляторных белков, которые контролируют синтез ферментов:

Нарушение структуры и функции ферментов вызывают дефекты генов этих ферментов:

У образовавшегося фермента наблюдаются структурные изменения, которые проявляются в изменении его каталитической активности (как правило, она исчезает), чувствительности к активаторам и ингибиторам, сродству к субстратам, оптимумам рН, температуры. В связи с этим изучением констант фермента является решающим в постановке диагноза врожденных энзимопатий.

Наследственные энзимопатии по типу нарушений метаболизма делят на:

В норме метаболический путь протекает следующим образом:

Из-за дефекта в метаболическом пути (цикле, шунте) одного из ферментов в организме происходит накопление промежуточных продуктов (часто токсичных в высоких концентрациях) и дефицит жизненно необходимых конечных продуктов, что приводит к клиническим проявлениям:

Пример: фенилпировиноградная олигофрения – наследственное заболевание, приводящее в раннем детстве к гибели ребенка или к развитию у него тяжелой умственной отсталости. Причиной заболевания является отсутствие в печени фермента фен-4-монооксигеназы, которая обеспечивает превращение незаменимой аминокислоты Фен в Тир:

Эта реакция необходима для катаболизма Фен, т.е. удаления его излишков. При отсутствии фен-4-монооксигеназы в организме происходит накопление Фен и превращение его в различные производные: фенилпировиноградную, фенилмолочную и фенилуксусную кислоты. Фен и его производные в высоких концентрациях токсичны, накапливаясь в тканях, они оказывают на них повреждающее действие. Самой чувствительной к Фен и его производным оказывается нервная ткань детей, она поражается в первую очередь.

Диагноз фенилкетонурия ставят на основании обнаружения Фен в крови или фенилпировиноградной кислоты на пеленках детей. Лечение в основном сводится к исключению из питания ребенка Фен. Для такого ребенка Тир оказывается незаменимой аминокислотой.

Другое тяжелое наследственное заболевание – галактеземия (непереносимость молочного сахара), связано с отсутствием синтеза в печени ферментов, катализирующих превращение галактозы в глюкозу. В результате в раннем возврате происходит накопление в тканях галактозы, приводящее к развитию катаракты, поражению печени, мозга, нередко вызывающее гибель ребенка. Лечение в данном случае сводиться к исключению из диеты молочного сахара.

2. Приобретенные энзимопатии

Приобретенные энзимопатии делятся на: алиментарные, токсические и вызванные различными патологическими состояниями организма.

А). Алиментарные энзимопатии – это заболевания, вызванные изменением количества и активности ферментов вследствие нарушения характера питания.

Алиментарные энзимопатии вызываются дефицитом или дисбалансом в пище:

Например, алиментарная энзимопатия, вызванная недостаточностью витамина А, проявляется нарушением сумеречного зрения (куриная слепота), воспалением слизистых глаз, ЖКТ, кожи.

Б). Токсические энзимопатии – это заболевания, вызванные нарушением активности ферментов вследствие действия токсических веществ. Токсическим веществами являются многие ксенобиотики (соли тяжелых металлов, пестициды, гербециды и т.д.), а также некоторые метаболиты в высоких концентрациях (алкоголь).

Токсические вещества могут либо избирательно угнетать активность (через денатурацию или ингибирование) или синтез отдельных ферментов, либо угнетать весь биосинтез белка (и соответственно всех ферментов).

В). Энзимопатии, вызванные различными патологическими состояниями организма. Так как ферменты имеют оптимумы t, рН и давления, практически любое заболевание, вызывающее нарушения КОС, изменение температуры тела, концентрации активаторов и ингибиторов, меняет активность ферментов организма. Например, при ацидозе и повышении температуры возрастает активность катаболических (лизосом) и падает активность анаболических ферментов.

Ферменты в медицинской практике находят применение в качестве диагностических (энзимодиагностика) и терапевтических (энзимотерапия) средств.

II Энзимодиагностика

Энзимодиагностика (энзим[ы] + греч. diagnostikos способный распознавать) – методы диагностики болезней, патологических состояний и процессов, основанные на определении активности ферментов в биологических жидкостях.

Направления энзимодиагностики:

1) Определение активности органо-, органеллоспецифических ферментов и их изоферментов. Определение в биологических жидкостях активности ферментов и их изоферментов позволяет установить локализацию патологического процесса, его стадию, выраженность, а также эффективность его лечения.

Ферменты плазмы крови по происхождению можно разделить на 3 группы:

За счет естественной гибели клеток клеточные ферменты имеют в плазме крови постоянно низкую активность. При поражении органа происходит значительный выход ферментов из его клеток и многократное увеличение активности этих ферментов в плазме крови.

Аминотрансферазы. Локализуются в митохондриях, обеспечивают взаимопревращения аминокислот и кетокислот: АК1 + КК2 ↔ КК1 + АК2. АСТ: асп+α-КГ↔ЩУК+глу.

АСТ много в миокарде, по убыванию меньше в печени, скелетной мускулатуре, ЦНС, почках, семенниках. Активность в сыворотке крови 6-25МЕ/л. АЛТ: ала+α-КГ↔ПВК+глу.

АЛТ много в печени, поджелудочной железе, миокарде, скелетной мускулатуре. Активность в сыворотке крови 6-26МЕ/л. Активность обеих трансаминаз в сыворотке крови возрастает в десятки раз при инфаркте миокарда (АСТ>АЛТ), при остром инфекционном гепатите (АЛТ>АСТ), а также при циррозе печени и мышечной дистрофии.

Информативными пробами являются креатинфосфокиназный и лактатдегидрогеназный тесты, относящиеся к некротическим ферментным методам. Их диагностическая ценность повысилась после внедрения в клиническую практику методов определения их изоферментов.

ЛДГ. Локализуется в цитозоле, обеспечивает взаимопревращения ПВК и лактата.
ЛДГ: ПВК+ НАДН2 ↔ лактат + НАД+. ЛДГ1 и ЛДГ2 наиболее активны в сердечной мышце и почках, ЛДГ4 ЛДГ5 – в скелетных мышцах и печени. Активность в сыворотке крови 55-140МЕ/л.
При инфаркте миокарда в сыворотке крови резко повышается активность ЛДГ1 и ЛДГ2, а при поражениях скелетной мускулатуры и печени (гепатит, отравления хлорорганическими соединениями) повышается активность ЛДГ4 ЛДГ5.

Креатинкиназа (КК). Локализуется в цитозоле, митохондриях, миофибриллах.
КК: Креатин + АТФ ↔ креатинфосфат + АДФ. Изофермент КК-ВВ находиться преимущественно в головном мозге, МВ – в миокарде, ММ – в скелетных мышцах. Активность в сыворотке крови КК в норме до 90МЕ/л.

В сыворотке крови КК-ММ повышается при повреждении скелетных мышц (при прогрессирующей мышечной дистрофии в 50 раз), КК-МВ – при инфаркте миокарда. КК-ВВ не проходит гематоэнцефалический барьер и не имеет значения для диагностики патологий ЦНС.

В сыворотке крови повышена активность амилазы при остром панкреатите, кисте поджелудочной железы; γ-глутамилтранспептидазы – при остром инфекционном или токсическом гепатите, хроническом гепатите, циррозе печени; кислой фосфатазы – при карциноме простаты; щелочной фосфатазы – при заболеваниях костей, закупорке желчных протоков, при беременности и у детей.
Определение активности ферментов с диагностической целью проводят также в моче, слюне, ликворе и биоптатах органов и тканей.

2) Определение активности ферментов и их констант (Km, t, pH).
Это направление используют для диагностики наследственных патологий и выявления механизмов патогенеза ряда заболеваний.

3) Определение концентрации органических веществ с помощью ферментов.
Использование ферментов в качестве реактивов позволяет определять концентрацию органических веществ с высокой точностью, так как ферменты обладают высокой чувствительностью и избирательностью к своим субстратам.

III Энзимотерапия

Энзимотерапия – применение ферментов животного, бактериального или растительного происхождения и регуляторов активности ферментов с лечебной целью.
Внедрению ферментных препаратов в современную клиническую практику способствовало развитие технологий получения обогащенных ферментами препаратов и очищенных ферментов.

В энзимотерапии существует насколько направлений:

1. Лекарственные препараты на основе ферментов. В качестве лекарственных препаратов наиболее широко используются гидролитические ферменты.

1). Протеолитические ферменты применяются при нарушении пищеварения.

2). Протеолитические препараты применяют местно, в виде аппликаций или орошений, при первичной обработке ран и ожогов. Гидролизуя белки некротизированных тканей, ферменты способствуют очищению раны, уменьшению воспаления и ускорению заживления.
Например, коллагеназа вызывает деструкцию коллагена при этом жизнеспособные мышцы, грануляционная ткань и эпителий остаются интактными. При гнойных ранах коллагеназа способствует быстрому очищению от нежизнеспособных тканей и экссудата, более раннему появлению грануляционной ткани и эпителизации, предупреждает развитие грубых (типа келоидных) рубцов, способствует сохранению функции суставов.

3). Гиалуронидазы – (лидаза, ронидаза) – ферменты, специфическим субстратом которых является гиалуронованная кислота, основа межклеточного матрикса соединительной ткани. Показателями к их применению являются рубцы после ожогов и операций, гематомы, контрактуры суставов и т.д. Лечебный эффект проявляется размягчением рубцов, рассасыванием гематом, появлением подвижности в суставах.

4). Протеолитические ферменты стрептокиназу, урокиназу применяют для предотвращения и лечения тромбозов, эмболии, инфаркта миокарда, закупорки сосудов сетчатки глаза. Стрептокиназа и урокиназа способствует превращению плазминогена в плазмин, который лизирует тромб.

5). Нуклеазы (ДНК-аза, РНК-аза) используют при лечении некоторых вирусных заболеваний (герпес, аденовирусный конъюктивит, вирусный менингит, ОРВИ и др.). Фермент разрушает ДНК вируса, не повреждая вместе с тем ДНК клеток макроорганизма. α-ДНКаза в препарате пульмозим используется как муколитик, она расщепляет внеклеточную ДНК, содержащуюся в большом количестве в вязком бронхиальном секрете.

6). Бактериолитические ферменты. Препарат «лизоамидаза» содержит комплекс ферментов: мурамидазу, амидазу, пептидазу и высокомолекулярный полисахарид. Препарат обладает наибольшей бактерицидной активностью по отношению к грамположительным бактериям: стафилакоккам, стрептококкам, а также менингококкам, гонококкам. Особенность, препарат показывает высокую бактерицидную эффективность вне зависимости от устойчивости бактерий к действию антибиотиков.

Системная энзимотерапия – использование полиферментных препаратов широкого спектра действия. Полиферментные препараты представляют собой эффективное противовоспалительное, противоотечное, фибринолитическое, иммуномодулирующее и вторично анальгетическое средство широкого спектра показаний. Препараты вобэнзим, вобэмугос, флогэнзим применяются в области травматологии, хирургии, спортивной медицины, ревматологии, ангиологии и гинекологии.
Препарат вобэнзим кроме панкреатина содержит папаин (из растения Carica Papaya), бромелаин (из ананаса обыкновенного) и рутозид (группа витамина Р). Наряду с выраженными ферментативными свойствами обладает противовоспалительным, противоотечным, фибринолитическим и вторичноанальгезирующим действием. Используется при панкреатите, язвенном колите, болезни Крона, травмах, аутоиммунных онкологических, урологических, гинекологических заболеваниях.

Флогэнзим представляет собой комбинацию ферментов (бромелаин и трипсин) и рутина. Бромелаин и трипсин способствуют быстрому расщеплению клеточных фрагментов и метаболических продуктов воспалительного процесса, рутин восстанавливает проницаемость стенок сосудов, что приводит к уменьшению отеков и гематом. Флогэнзим оказывает противовоспалительное, фибринолитическое, антиагрегантное и противоотечное действие.

Применение ферментов в терапии ограничивается их лабильностью, нежелательными антигенными свойствами, трудностями адресной доставки к пораженным органам и тканям. Этих недостатков лишены иммобилизированные ферменты – энзимные препараты, соединенные с полимерной матрицей, либо включенные в липосомы или тени эритроцитов. Например, прозефим (комплекс бактериальных протеаз, иммобилизированных на аминоцеллюлозе), применяемый при гнойно-некротических процессах, обладает пролонгированным лечебным эффектом. Он способен гидролизовать денатурированный белок непрерывно свыше 10 суток, сохраняя по истечении этого срока до 90% исходной активности.

Иммобилизированные ферменты применяют для экстракорпоральной перфузии крови типа «искусственная почка». Такое лечение полностью исключает нежелательные воздействия на организм чужеродного белка и может проводиться в течение длительного времени.

II). Лекарственные препараты на основе коферментов и витаминов. Коферментные препараты: кокарбоксилаза, рибофлавина мононуклеотид, флавинат, пиридоксальфосфат, кобамамид используют для усиления активности ряда ферментов.

III). Лекарственные препараты на основе ингибиторов и активаторов ферментов.

Источник