Применение ферментов в ветеринарной медицине и в животноводстве

Понятие о ферментах. Краткая история развития энзимологии.

Ферменты - это специфические белки, образующиеся в клетках живых организмов и катализирующие происходящие в них химические реакции.

Еще с глубокой древности человек использовал ферментативные процессы в хлебопечении, виноделии, обработке кож и т.д., но не понимал их сущности.

Первые попытки сделать это относятся к XVII веку, когда, пытаясь объяснить механизм пищеварения, его сравнивали с процессом брожения - так появился термин «фермент», введенный Я. ван Гельмонтом (от лат. fermentatio - брожение). В 1814 году русский химик К.Кирхгоф показал, что крахмал превращается в мальтозу под действием проросших зерен ячменя (солода), а в 1833 году А.Пайен и Ж.Пирсо это вещество выделили и назвали его диастазой (в последствие оно получило название амилаза).

Т.Шванн в 1836 году открыл в желудочном соке фермент пепсин.

В 1837 году Й.Берцелиус показал, что ферменты это катализаторы, поставляемые живыми клетками. В 1862 году А.Я. Данилевский выделил из сока поджелудочной железы амилазу, липазу и трипсин. По мере открытия и изучения ферментов назрела необходимость объяснить природу их действия. Л.Пастер считал, что ферментативные процессы неотделимы от жизнедеятельности дрожжевой клетки, с другой стороны Ю.Либих отстаивал химическую природу брожения, считая, что ферменты могут проявлять свое каталитическое действие как вместе с клетками, так и вне их. Авторитет Пастера, однако, был велик, к томуже все эксперементальные данные того времени говорили , что брожения не может быть без живых дрожжевых клеток и Пастер победил. После этого появились понятия «организованные» и «неорганизованные» ферменты. Организованными называли те ферменты, каталитическая активность которых проявляется лишь при наличии живых организмов (например , ферменты, вызывающие различные виды брожения), а неорганизованными – те, которые структурно не связаны с клетками ( например, ферменты, содержащиеся в желудочном и кишечном соках). В 1878 году Ф. Кюне предложил неорганизованные ферменты называть энзимами, а за организованными сохранить название ферменты. Спор между Пастером и Либихом был разрешен в результате работ М. Манассеиной и Э. Бухнера. Русский врач М.М.Манассеина в 1871 году показала, что дрожжевой сок обладал такой же способностью сбраживать углеводы, как и сами дрожжевые клетки. Эти опыты в последствии были подтверждены Э.Бухнером. Термины «фермент» и «энзим» стали употребляться как синонимы.

В 1894 году Э.Фишер предложил гипотезу, объясняющую специфичность действия ферментов «ключ - замок». В начале XX века И.П.Павлов, работая с пищеварительными ферментами, впервые доказал, что они в живом организме могут существовать в неактивной форме - в виде проферментов, им также были предложены первые методы определения активности ферментов.

В 1913 году Л.Михаэлис и М.Ментен разработали теорию механизма действия ферментов и кинетику ферментативных реакций.

Важным шагом в изучении активности ферментов явилось их получение в кристаллическом виде - уреаза (Д.Самнер, 1926 г.); пепсин (1930), трипсин (1931, Д.Нортроп), что подтвердило белковую природу ферментов.

В 1960 году Д.Филлипс впервые расшифровал трехмерную структуру лизоцима с помощью рентгено-структурного анализа. В 1969 году была синтезирована рибонуклеаза (Р.Мерифилд).

Основными направлениями современной энзимологии являются:

- исследования механизмов синтеза ферментов и регуляция их активности;

- изучение более тонких деталей молекулярного механизма действия ферментов;

- создание синтетических аналогов ферментов, наделенных аналогично нативным ферментам высокой активностью и специфичностью действия.

Применение ферментов в ветеринарной медицине и в животноводстве .

Ферменты широко применяются в различных отраслях народного хозяйства, в том числе в ветеринарной медицине и в животноводстве.

В связи с высокой специфичностью действия ферменты используются в диагностических целях. Разделом клинической биохимии является энзимология, которая изучает изменение ферментного спектра организма и активности ферментов при патологических процессах. Так, например, при паренхиматозной желтухе в сыворотке крови резко возрастает активность аланинаминотрансферазы , а при механической желтухе и патологии костной ткани - щелочной фосфатазы, при заболеваниях поджелудочной железы – амилазы, при патологии печени и миокарда – лактатдегидрогеназы и аминотрансфераз.

Широко распространено в медицине применение ферментативных препаратов при лечении различных заболеваний (энзимотерапия). Например, гиалуронидаза применяется при артритах, глазных заболеваниях, она также ускоряет всасывание различных солевых растворов, вводимых подкожно, т.к. происходит деполимеризация мукополисахаридов и увеличивается проницаемость тканей и сосудистых стенок . Препараты трипсина в сочетании с антибиотиками используют для лечения хронических воспалений конечностей. Панкреатическая ДНК-аза применяется для лечения некоторых респираторных заболеваний. При лечении заболеваний желудочно-кишечного тракта применяются ферментативные препараты пепсина, трипсина, химотрипсина и их смеси. РНК-аза, гиалуронидаза, эластаза, коллагеназа применяются для обработки ран, воспалительных очагов, ожогов, устранения отеков, гематом. Аспарагиназа, расщепляющая аспарагин, необходимый для синтеза белков раковыми клетками, используется при лечении злокачественных образований.

Использование очищенных индивидуальных ферментов длительное время сдерживалось их дороговизной и невысокой устойчивостью. Применение ферментов, достаточно прочно связанных (иммобилизованных) с нерастворимыми полимерными материалами, прежде всего, сделало процессы более технологичными. Появилась возможность использовать непрерывные процессы, основанные на пропускании раствора субстрата через колонку с иммобилизованным ферментом. Исчезла проблема отделения прореагировавших компонентов от фермента, резко повысилась эффективность использования фермента. Оказалось также, что связывание с носителем часто повышает термическую устойчивость фермента.

Применение иммобилизованных ферментов вместо растворимых оказалось в ряде случаев предпочтительным и при использовании ферментов в качестве медицинских препаратов, которые в силу большей устойчивости дольше удерживаются в организме. Иммобилизованные ферменты в качестве лекарственных средств начали применять в специальных аппаратах типа «искусственной почки». Такое лечение полностью исключает нежелательные воздействия чужеродного белка и может проводиться в течение длительного времени.

Кроме того, можно создавать разнообразные удобные для применения формы имммобилизованных ферментов. Например, иммобилизация протеаз на целлюлозе позволяет получать обладающие протеолитической активностью повязки и тампоны, что удобно при использовании таких ферментов для заживления ран, язв и прочих повреждений тканей.

В клинике практике кроме ферментов используют и их ингибиторы. Например, для снижения свертываемости крови применяют ингибитор фибринолизина - e- аминокапроновую кислоту. При лечении острых панкреатитов применяют препарат тразилол, который ингибирует протеолитические ферменты .

В животноводстве ферментные препараты используются для повышения эффективности использования питательных веществ корма. Эти ферментные препараты дополняют выделяемые организмом ферменты и значительно ускоряют расщепление питательных веществ корма, повышая полноту усвоения компонентов корма.