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 специфичностиопределяет 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 ЛДГ₂Н ННМ ЛДГ ₃ННММ

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 белкаозначает 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.

Энзимодиагностика- 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 энзимотерапиииспользуют, 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)