Факторы ингибирования подразделяют на специфические и неспецифические. Обратимое ингибирование может быть конкурентное и неконкурентное

А затем обратись к практике,

порожденной этой наукой».

Леонардо да Винчи.

«Книга о живописи»

ТЕТРАДЬ 1: ФЕРМЕНТЫ.

Ферменты- высокоспециализированные белки

Биохимические реакции, необходимые для функционирования организма, строго детерминированы, генетически запрограммированы и создают всю картину обмена веществ и свои особенности метаболизма, характерные для данного вида.

Практически все реакции, избранные природой для осуществления онтогенеза, протекают в организме с участием белков-ферментов.

Информация о первичной структуре белка закодирована в соответствующем ему структурном гене. Выполняется закон:

Ген -> белок-фермент – > одна биохимическая реакция.

В постулате «одна реакция» проявляется специфичность фермента, которая может быть:

А. субстратная абсолютная (единственное вещество является субстратом этого фермента.

Б. субстратная групповая, относительная (вещества одного класса или сходного строения являются субстратами фермента)

В. стерео (в отношении пространственного строения – геометрических и оптических изомеров)

Г. каталитическая (реализация одного направления реакции из нескольких возможных)

 

Все множество реакций, происходящих в организме, можно разделить на 6 типов,

 

в связи с этим предложена классификация ферментов, включающая 6 классов.

Оксидоредуктазы 4. лиазы

Трансферазы 5. изомеразы

Гидролазы 6. лигазы(синтетазы)

* (соответствие номера класса и название класса следует заучить)

 

По составу ферменты бывают

а. простые белки

б. сложные белки, состоящие из белковой части (апофермента) и небелковой части

(кофермента). Совокупное название всего сложного фермента – холофермент.

Химическая природа коферментов - органические молекулы(гем, нуклеотиды ФАД, НАД⁺, витамины В-1, В-6, В-12, С, биотин, липоевая, фолиевая кислоты и др.), катионы металлов (цинк, медь, марганец и др.)

Признак специфичности определяет белковая часть фермента, направляя каталитические возможности кофермента на нужный путь. Например, витамин В-6 может быть коферментом в составе трансаминаз (класс трансферазы) и в составе декарбоксилаз аминокислот (класс лиазы). Исследование активности трансаминаз АСТ и АЛТ широко применяется в клинической лабораторной диагностике.

Ферменты, обладающие одинаковой специфичностью, но отличающиеся строением первичной структуры белка, называются изоферментами. Изоферменты характеризуются различными физико-химическими свойствами: термолабильность. величина рI, электрофоретическая подвижность, Км

(рI - изоэлектрическая точка, Км – константа Михаэлиса -см. объяснения ниже в тексте)

Изоферменты локализуются в различных органах, появляются на разных этапах жизни (изменения в онтогенезе) или при изменении физиологических условий, осуществляя адаптацию. Как правило, для них характерна четвертичная структура, представленная вариантами сочетаний четного числа двух различных субъединиц.

Хорошо изученный фермент ЛДГ состоит из 4 субъединиц, представленных набором двух различных полипептидов: Н(heart) и M (muscle). Поэтому существует 5 изоферментов ЛДГ, отличающихся комбинациями субъединиц:

ЛДГ₁ НННН ЛДГ₂ Н ННМ ЛДГ ₃ ННММ

ЛДГ ₄ НМММ ЛДГ₅ НМММ

 

. Знание изоферментного спектра органов широко используется в энзимодиагностике.

 

Ферменты катализируют

-только энергетически возможные реакции,

-направление реакции в процессе катализа изменяться не может,

- любой катализатор(в т.ч. фермент) в процессе реакции не расходуется.

 

К особенностям ферментативного катализа относятся:

* высокие скорости реакций

* физиологические условия (температура в предела 36-38 ⁰ С, значение рН 6,9 – 7,5)

* высокая специфичность

* возможность регуляции скорости реакции

Функции ферментов обеспечиваются их пространственным строением.

На поверхности белка фермента выделяют особый активный центр, в составе которого есть 2 различных по функциям участка:

субстратный (служит для связывания субстрата). Формируется с участием радикалов аминокислот, которые оказываются сближенными благодаря образованию третичной пространственной структуры, изменение которой нарушает функции субстратного центра.

каталитический (в нем проходит превращение субстрата в продукт реакции). Именно в каталитическом участке сложного белка-фермента находится кофермент, а в случае простого белка фермента каталитический центр вновь формируется радикалами аминокислот.

Субстратный и каталитический участки находятся в кооперативном взаимодействии. Достаточно часто в составе фермента присутствуют различные ионы, располагающиеся вне активного центра, но необходимые для полноценного функционирования фермента - их называют кофакторы.

У особых регуляторных ферментов есть дополнительный участок – аллостерический центр, который связывает особые вещества модуляторы, или эффекторы, способные изменять активность фермента. Лекарственные препараты могут действовать как аллостерические активаторы или ингибиторы.

Термин аллостерический (пространственно иной- греч) ввел Ж. Моно - французский биохимик и микробиолог лауреат Нобелевской премии (1965)

Ошибки в аминокислотной последовательности первичной структуры белка наиболее опасны в тех случаях, когда аминокислоты участвуют в образовании функционально важных участков фермента.- возникают дефектные ферменты(одна из причин наследственной энзимопатии).

 

Скорость ферментативной реакции зависит от факторов:

* температуры

* величины рН среды

* концентрации энзима (зависимость линейная)

* концентрации субстрата (зависимость описывается гиперболой, при достаточном увеличении концентрации субстрата скорость перестает расти, достигает максимальной и сохраняется постоянной при дальнейшем увеличении концентрации субстрата., в отдельных случаях может и понижаться.)

В обоих случаях (температура., рН) наблюдается максимальное значение скорости реакции при определенных оптимальных значениях этих величин. При отклонении от оптимального значения в обе стороны скорость реакции снижается.

Снижение температуры, как правило, вызывает обратимую денатурацию белка-фермента вследствие повышения энергетического барьера реакции. Повышение температуры выше Т (опт) сопровождается необратимой денатурацией белка, поскольку белки термолабильны. Уместно напомнить, что термин денатурация белка означает потерю нативных (природных) свойств белка.

Изменение величины рН сопровождается нарушением конформации третичной структуры белка, которая формирует активный или аллостерический центры: изменяется заряд белка., меняется характер ионного взаимодействия, число водородных связей.

 

Знание вышеперечисленные зависимостей позволяет научно объяснить:

1. необходимость поддержания кислотно-основного гомеостаза организма, который нужен для обеспечения функций белков- ферментов, белков-рецепторов.

2 при осуществлении энзимотерапии: выбор дозы, условия применения лекарственного препарата, содержащего ферменты.

 

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:

-Клеточная мембрана: ЩФ (щелочная фосфатаза), АЦ (аденилатциклаза), К-Nа-АТФаза

-Цитоплазма: ферменты гликолиза, пентозного цикла.

-ЭПР: ферменты обеспечивающие гидроксилирование (микросомальное окисление).

-Рибосомы: ферменты обеспечивающие синтез белка.

- Лизосомы: содержат гидролитические ферменты, КФ (кислая фосфатаза).

- Митохондрии: ферменты окислительного фосфорилирования, ЦТК (цитохромоксидаза, сукцинатдегидрогеназа), β-окисления жирных кислот.

-Ядро клетки: ферменты обеспечивающие синтез РНК, ДНК (РНК-полимераза, НАД-синтетаза).

Ферменты – катализаторы и регуляторы биохимических реакций в клетке, поддерживающие постоянство внутренней среды организма.

Ферментативные биохимические реакции отличаются от химических реакций тем, что в организме необходимо изменять скорость биохимической реакции в соответствии с изменением внешних и внуиренних условий.

Изменение и регуляция скоростей биохимических реакций – условие поддержания г о м е о с та з а.

Увеличение скорости реакции происходит с участием активаторов, а снижение – ингибиторов.

Ингибирование ферментативной активности может происходить под действием различных факторов обратимо и необратимо.

Факторы ингибирования подразделяют на специфические и неспецифические. Обратимое ингибирование может быть конкурентное и неконкурентное.

.

Неспецифические факторы ингибирования оказывают свое действие на большинство белков-ферментов: к ним относят значительное отклонение температуры и величины рН от физиологической нормы, сильное электромагнитное и ультразвуковое воздействие, дегидратирующие вещества(спирты, ацетон, эфир), ионы тяжелых металлов(свинца, ртути, серебра).

 

Специфические факторы действуют избирательно на отдельные группы ферментов, действие обычно затрагивает активный центр, например, оксид углерода(+2) взаимодействует с ионом железа в системе гема.

 

Конкурентное ингибирование происходит при связывании ингибитора - структурного или пространственного аналога субстрата- с активным центром фермента. На конкурентный тип ингибирования указывает увеличение значения Км. По этому механизму действуют лекарственные препараты- антиметаболиты

 

Регуляция метаболических процессов опирается на возможность регуляции скоростей биохимических реакций. Следует выделить два принципиально различных принципа:

- изменение каталитической активности белка- фермента (быстрый путь)

- изменение количества белка – фермента (более медленный путь)

Изменение количества белка фермента осуществляется путем регуляции синтеза на уровне процесса транскрипции и трасляции.

 

Регуляция каталитической активности осуществляется несколькими способами:

· аллостерическая регуляция

· частичный протеолиз (превращение неактивного профермента в активный фермент).

· фосфорилирование/дефосфорилирование фермента

Фосфорилирование осуществляют особые ферменты протеинкиназы(ПК), а дефосфорилирование – протеинфосфатазы (ПФ).

· белок/ белковое взаимодействие.

Осуществляется двумя путями:

- ассоциация или диссоциация протомеров фермента

- активация фермента вследствие активации регуляторного белка, находящегося в мембране клетки, и образования внутриклеточного химического сигнала(посредника):

А. Гормон, лекарственный препарат ->R(рецептор) -> G - белок –> АЦ(аденилатциклаза) - > цАМФ –> активная ПК (А) –>фосфорилированный фермент –> увеличение скорости реакции -> увеличение содержания метаболита(метаболический ответ)

Б. Гормон, лекарственный препарат ->R(рецептор) -> G - белок –> Фосфолипаза С - > Фосфолипид фосфатидилинозитолдифосфат (ФИДФ) –> продукты гидролиза: ИТФ(инозитолтрифосфат) и диацилглицерол(ДАГ) –> увеличение внутриклеточного кальция –> образование комплекса Са /кальмодулин ->активация фермента -> увеличение скорости реакции -> увеличение содержания метаболита(метаболический ответ)

 

Ферменты в медицине.

Знание свойств ферментов, их локализации в клетках и органах используется в энзимодиагностике, энзимотерапии, необходимо для понимания причин развития энзимопатий.

Энзимодиагностик а- использование знания активности, распределения ферментов для постановки диагноза, оценки тяжести состояния больного и качества лечения.

Ферменты, выделяющиеся из ткани, органа в кровь называются индикаторными.

При заболевании органа, в начальный период развития патологического состояния

содержание этих ферментов в крови увеличивается (АСТ, АЛТ, КК).

Ферменты, которые специализированно выделяются каким- либо органом в кровь для выполнения в ней биохимических функций, называются секреторными: ферменты свертывающей и антисвертывающей систем крови

Ферменты, которые в норме выделяются в просвет ж.к.т. и попадают в кровь в результате воспалительных и некротических процессов в желчном пузыре, поджелудочной железе, называются экскреторными (трипсин, амилаза, щелочная фосфатаза)

Ферменты, имеющие преимущественную локализацию в определенном органе, называются органоспецифичными (печень –аргиназа, АЛТ, сердце- ЛДГ1, АСТ, креатинкиназа КВ, мозг-креатинкиназа ВВ, мышцы – креатинкиназа ММ, ЛДГ-5)

Ферменты, специфичные для определенной клеточной структуры, называются органеллоспецифичными (митохондрия - сукцинатДГ, цитоплазама- ЛДГ), применяют также термин маркерные.

Энзимотерапия имеет определенные ограничения:

- нативный белок-фермент обладает антигенной активностью, денатурированный белок теряет антигенные свойства, но одновременно и ферментативную активность

- подверженность ферментов протеолизу

.Энзимы использует как препараты заместительной терапии(ферменты желудочно-кишечного тракта(.пепсин, трипсин и препараты с их содержанием- панкреатин, абомин, панзинорм и другие.)

Несомненным достоинством лекарственных препаратов- ферментов является их высокая специфичность действия и широкое применение их в лечении различных заболеваний

связано, именно, с этим важнейшим отличительным свойством.

Для энзимотерапии используют, как правило, ферменты класса «гидролазы», обладающие способностью гидролизовать пептидные связи(трипсин, химотрипсин, эластаза., коллагеназа), гликозидные(гиалуронидаза, лидаза, стрептокиназа, ДНК-аза, РНК-аза).

. Фибринолизин - компонент естественной противосвертывающей системы организма-используют в лечении тромбозов.

Стрептолиаза, выделяемая из культуры ß- гемолитического стрептококка группы С – проявляет тромболитическую активность

Рибонуклеаза деполимеризует РНК – задерживает образование РНК из вирусов, например, клещевого энцефалита.

Лидаза(гиалуронидаза) деполимеризует связи в гиалуроновой кислоте - применяют для предотвращения образования рубцов, контрактур суставов

Комплексное применение нескольких ферментов одновременно в одном препарате используется в системной энзимотерапии (распространенный препарат вобэнзим)

 

Для медицинской науки огромное значение приобретает исследование причин возникновения энзимопатий- изменения активности ферментов. Традиционно принято говорить о снижении активности ферментов, но не меньшую роль в развитии патологических состояний приобретает повышенная активность ферментных систем по сравнению с нормой. Это касается, в первую очередь, увеличения активности ключевого фермента в синтезе холестерина(фермент Гидроксиметилглутарил-КоА-редуктаза К 1.1.1.88) и ряда ферментов свертывающей системы крови.

 

Энзимопатии (нарушение функционирования ферментов) могут быть:

- наследственные (отсутствие фермента, мутации в гене и изменения в первичной

структуре белка, появление нетипичных для данного органа изоферментных форм, врожденные нарушения обмена витаминов- всасывания, активации в клетке)

-приобретенные (наличие ингибиторов, усиленный протеолиз ферментов, общая белковая не достаточность, гипо- и авитаминозы, создающие дефицит коферментов).

 

Наследственные энзимопатии по типу нарушений метаболизма делят на:

1. нарушения обмена аминокислот: фенилкетонурия, альбинизм, алкаптонурия и др.;

2. нарушения углеводного обмена: галактоземия, наследственная непереносимость фруктозы, гликогенозы;

3. нарушения липидного обмена: липидозы;

4. нарушения обмена нуклеиновых оснований: подагры, синдрома Леш-Нихана и др.;

5. нарушение обмена в соединительной ткани: мукополисахаридозы, хондродистрофия и др.;

6. дефекты ферментов в ЖКТ: муковисцидоз, целиакия, непереносимость лактозы и др.

7. нарушения обмена стероидов и т.д.

 

Витамины – коферменты влияют на интенсивность синтеза белка-апофермента: недостаток витаминов(гиповитаминоз) снижает скорость образования белка, а поступление витаминов увеличивает скорость образования фермента. На этом основана витаминотерапия, которая широко используется в практической медицине.

Отсутствие витаминов сопровождается тяжелыми изменениями метаболических процессов. Но надо помнить, что избыточное поступление витаминов в составе лекарственных препаратов также может быть причиной развития патологических состояний(возникают ятрогенные болезни)

Недопустимы как гиповитаминозы, так и гипервитаминозы!

Многие гиповитаминозы и особенно авитаминозы имеют характерные симптомы (проявления) и их выделяют в особую группу заболеваний - алиментарные болезни.

( см. таблицу 1 )