Электроника

 
20 | 09 | 2020

Ферменты (энзимы)

Ферменты (энзимы) — специфические белки, выполняющие в организме функции биологических катализаторов, т. е. веществ, ускоряющих течение различных химических реакций. Ф. присутствуют во всех живых клетках. Они катализируют все без исключения жизненные процессы. Дыхание и работа сердца, рост и деление клеток, мышечное сокращение, переваривание и усвоение пищи, синтез и распад всех биологич. веществ, в т. ч. и самих Ф., обусловлены быстрым и бесперебойным функционированием определенных ферментных систем. Другими словами, совокупность ферментативных реакций, строго локализованных в клетках и органах, составляет молекулярную основу жизнедеятельности организма.
Основным отличием Ф. от химич. катализаторов является высокая специфичность их действия, т. е. каждый Ф. действует на вполне определенное вещество или на химич. связь строго определенного типа. Напр., фермент лактаза расщепляет только молочный сахар — лактозу с образованием глюкозы и галактозы, а амилаза действует только на полисахариды — гликоген и крахмал (см. Углеводы). Высокая специфичность Ф. играет важную биологич. роль, т. к. благодаря этому свойству ф. в организме происходит последовательное расщепление сложных веществ до более простых, к-рые или всасываются в кишечнике, или выводятся из организма. Напр., белки пищи вначале расщепляются протеолитическими ф.— пепсином, трипсином и химотрипсином на крупные фрагменты поли пептидной природы. Эти полипептиды в кишечнике под действием Ф. пептидаз расщепляются до аминокислот, к-рые всасываются в кровь и разносятся кровотоком в различные органы, где используются для синтеза белков, специфичных для данного организма. Первый ферментный препарат (экстракт из проростков ячменя, способствующий превращению крахмала в сахар) был получен в 1814 г. академиком Петербургской академии наук К. С. Кирхгофом. Позднее активное начало этого экстракта получило название фермента диастазы или амилазы. Работы К. С. Кирхгофа послужили основой для использования Ф. в пищевой промышленности — получения патоки и глюкозы из крахмала.

В течение длительного времени не удавалось выделить Ф. в виде индивидуальных веществ, поэтому химич. природа их была неизвестна.
начительным стимулом к исследованиям в этом направлении явились работы русского биохимика А. Я. Данилевского, к-рый впервые разделил амилазу и трипсин сока поджелудочной железы. Предложенный А. Я. Данилевским метод ад- сорбции (связывания) Ф. на гидроокиси алюминия послужил основой для дальнейших разработок препаративных методов получения очищенных препаратов индивидуальных Ф.
В конце 20-х гг. 20 в. амер. биохимиками Д. Самнером и Д. Нортропом впервые были получены в кристаллич. виде Ф. уреаза и пепсин. Эти работы, окончательно доказавшие белковую природу Ф., послужили началом нового этапа в развитии препаративной химии Ф.
В настоящее время известно свыше полутора тысяч Ф., из к-рых более ста получены в кристаллич. состоянии, т. е. в наиболее очищенном виде.
Как и все белки, Ф. состоят из 20 аминокислот, соединенных в молекуле каждого Ф. в определенной последовательности в так наз. полипептидную цепь. Порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи характерен для каждого данного Ф., именно этот порядок чередования обусловливает первичную структуру белковой молекулы. Полипептидная цепь в свою очередь свернута в виде спирали, форма к-рой определяет вторичную структуру молекулы белкафермента. Некрые Ф., построенные из нескольких полипептидных цепей, имеют четвертичную структуру.
В этом случае полипептидные цепи представляют собой отдельные глобулы, так наз. субъединицы Ф., соединенные в единую белковую молекулу химич. связями различных типов. Правильность этих представлений о структуре Ф. была подтверждена лабораторным синтезом ферментных белков. Часть молекулы Ф., принимающая непосредственное участие в процессе катализа, т. е. в реакции преобразования вещества (или субстрата), на к-рое действует Ф., получила название каталитического участка. Кроме того, на поверхности Ф. имеется особый участок, к к-рому прикрепляется субстрат,— так наз. контактная площадка. Каталитический участок и контактная площадка вместе образуют активный центр Ф.
Часто в состав активного центра входят ионы различных металлов (у металлоферментов).
В зависимости от типа катализируемой реакции в соответствии с рекомендациями Комиссии по номенклатуре ферментов (1972 г.) все Ф. разделены на шесть основных классов. Многие Ф. имеют молекулярные формы (разновидности), так наз. изоферменты (изоэнзимы), к-рые характеризуются одним типом субстратной специфичности, но различаются по ряду физ.-хим. свойств. Ф., как и все белки, могут быть простыми и сложными. Молекула сложных Ф. состоит из двух компонентов: белкового (апофермента) и небелкового — простетической группы; в тех случаях, когда простетическая группа легко отделяется от апофермента, она называется кофактором или коферментом. Коферментами могут являться углеводы, нуклеотиды, ионы различных металлов и другие соединения, а также витамины или их производные (известно св. 150 Ф., коферментами к-рых являются витамины).

При авитаминозах и гиповитаминозах нарушается функционирование многих ферментных систем, что приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности всего организма. Содержание подавляющего большинства Ф. в органах и тканях настолько мало, что делает затруднительным определение их содержания в абсолютных количественных величинах (напр., в миллиграммах). Поэтому о содержании Ф. в том или ином органе судят по его активности. За единицу активности Ф. принимается такое его количество, к-рое в одну минуту катализирует превращение определенного количества субстрата. Активность Ф. в биологич. жидкостях, напр, в сыворотке крови, принято выражать в единицах активности на 1 мл жидкости. Действие ф. зависит от ряда факторов, среди к-рых наиболее важны температура и реакция среды (величина рН среды). Температурный оптимум действия Ф. лежит в пределах 38— 60°.

При дальнейшем повышении температуры Ф., как правило, денатурируются и в связи с этим инактивируются. Однако некрые Ф. (напр., рибонуклеаза, миокиназа) выдерживают нагревание до 100°.
Для большинства Ф. человека и теплокровных животных оптимум действия наблюдается при 37—38°, т. е. при температуре тела. Широкие границы температурного оптимума для Ф. связаны с приспособительными и защитными функциями организма при состояниях, сопровождающихся повышением общей температуры тела (лихорадка, различного рода инфекции и т. д.). Зависимость активности Ф. от температуры используется в медицинской практике, в частности в хирургии, для управления ходом химических реакций процессов обмена при некрых экстремальных (неотложных) состояниях. Так, напр., при сложных оперативных вмешательствах, требующих временного отключения кровоснабжения оперируемых органов (напр., операции на сердце, мозге и крупных сосудах), в этих тканях возникает кислородная недостаточность, к-рая может привести к тяжелым, а иногда и необратимым осложнениям (см. Гипоксия).
В этих условиях необходимо замедлить интенсивность обменных процессов, чтобы снизить потребление кислорода клетками. Это возможно при снижении активности Ф., в частности за счет снижения общей температуры организма.
Для этих целей хирургами предложен метод гипотермии, когда путем охлаждения тела больного добиваются снижения скорости ферментативных реакций, замедления обмена веществ, а следовательно, потребления кислорода. Т. о. предотвращается кислородное голодание тканей, что особенно важно для мозга — органа, наиболее чувствительного к недостатку кислорода.
Большинство Ф. активно при нейтральной реакции среды, т. е. при физиологич. значениях рН (ок. 7,0).
В кислой и щелочной среде они инактивируются. Исключение составляют пепсин и некрые тканевые протеолитические Ф. (напр., катепсин D), к-рые действуют в кислой среде, а также трипсин, к-рый наиболее активен при щелочных значениях рН (ок. 8,0). Кроме температуры и величины рН среды, на активность Ф. влияют различные вещества, к-рые могут усиливать (активаторы) или тормозить (ингибиторы) действие Ф. Активаторами Ф. могут быть различные неорганич. ионы, в первую очередь ионы различных металлов. Одним из путей активации Ф. является образование их из неактивных предшественников (так наз. проферментов). Так, напр., пепсин образуется из неактивного предшественника — пепсиногена, трипсин — из трипсиногена, карбоксипептидаза — из прокарбоксипептидазы и т. д. Соединения, угнетающие активность Ф., получили название ингибиторов. Связываясь с Ф., они образуют с ним комплекс, лишенный ферментативной активности.
В зависимости от прочности образующегося комплекса торможение (ингибирование) реакции может быть обратимым и необратимым. Так, напр., синильная к-та и ее соли (цианиды) полностью и необратимо инактивируют дыхательный фермент — цитохромоксидазу, в результате чего дыхание тканей мгновенно прекращается.
В случае обратимого торможения различают конкурентное и неконкурентное торможение ферментативных реакций.

При конкурентном торможении субстрат и ингибитор имеют сходное строение, в результате чего они конкурируют между собой за активный центр фермента.

При этом Ф. может «по ошибке» захватить не субстрат, а похожий на него ингибитор, в результате чего происходит инактивация Ф.
В связи с этим тормозящее действие конкурентного ингибитора в значительной степени зависит от относительного количества субстрата и ингибитора.
Если количество ингибитора велико, то ферменту становится трудно найти среди множества молекул ингибитора нужные молекулы субстрата, его место занимает ингибитор, и реакция прекращается. На принципе конкуренции между субстратом и ингибитором основано действие многих лекарственных веществ. Напр., для размножения определенных бактерий (стафилококков) необходима парааминобензойная к-та. Некрые сульфаниламиды имеют структурное сходство с парааминобензойной к-той, в связи с чем они успешно конкурируют с ней за активный центр определенного фермента этих бактерий. Это ведет к прекращению синтеза вещества, необходимого для жизнедеятельности стафилококков, и к их гибели. Аналогичен механизм действия и некрых антибиотиков.
В основе многих заболеваний человека лежат нарушения функций различных ферментных систем (так наз. энзимопатии или ферментопатии). Одной из таких болезней является фенилкетонурия, при к-рой в моче больного появляется большое количество аминокислот — фенилаланина и фенилпировиноградной к-ты. Это связано с нарушением превращения фенилаланина в тирозин, вызванным отсутствием в организме фермента фенилаланингидроксилазы.
В результате в организме накапливаются продукты обмена, вызывающие тяжелые расстройства функций ряда органов и в первую очередь расстройство функции центральной нервной системы. Болезнь развивается с первых дней жизни ребенка и к 6—7 мес. появляются симптомы умственной отсталости.
Применение диеты, лишенной фенилаланина, в первые же недели жизни ребенка оказывает положительное леч. действие. Другое тяжелое наследственное заболевание — галактоземия сопро- вождается накоплением в тканях организма галактозы. Это вызвано отсутствием фермента галакто-1-фосфатуридилтрансферазы, в результате чего нарушается нормальное усвоение организмом галактозы. Болезнь характеризуется поражением печени, почек и умственной отсталостью ребенка, а также развитием катаракты.

Лечение этого заболевания связано с применением диеты, лишенной галактозы, и в первую очередь молока, т. к. содержащийся в нем молочный сахар — лактоза расщепляется в организме на глюкозу и галактозу. Еще одно тяжелое наследственное заболевание — генерализованный гликогеноз также связано с полным выпадением в организме функции фермента углеводного обмена — кислой гаммаамилазы. Недостаточность или отсутствие в организме различных Ф. углеводного обмена является причиной многих наследственных ферментопатии. Известны врожденные формы анемий, вызванные недостаточностью в эритроцитах глюкозо-6-фосфат—дегидрогеназы, пируваткиназы и др.
Нарушение действия ф. может также наступать при недостатке в организме витаминов, большинство к-рых является коферментами. Так, напр., коферментом пируватдегидрогеназы, катализирующей окислительное превращение пировиноградной к-ты, является витамин Bi (тиаминпирофосфат).

При недостатке витамина Bi происходит накопление пировиноградной к-ты в тканях организма, в первую очередь в ткани мозга. Этим объясняется развитие при авитаминозе Bi расстройств функций нервной системы (невриты, параличи и др.). Тиаминпирофосфат известен также под названием кокарбоксилазы, получившей широкое применение в клинике при лечении и профилактике аритмий сердца.
В нормальных физиологич. условиях активность Ф. в биологич. жидкостях, в первую очередь в сыворотке крови, относительно низка по сравнению с их активностью в тканях.

При ряде заболеваний и неблагоприятных воздействиях на организм, сопровождающихся нарушением структуры клеток и проницаемости клеточных мембран, Ф. тканей поступают в большом количестве в кровь — развивается так наз. гиперферментемия. Основой гиперферментемии часто является также увеличение синтеза Ф.

При изменении оптимальных условий действия Ф. под влиянием различных факторов (радиации, химич. веществ, вирусов, бактерий и т. д.) наблюдается снижение активности Ф. в крови. Свойство Ф. чутко реагировать на различные воздействия используется в клинике в диагностич. целях.
Наиболее широкое применение получили методы определения активности Ф. в сыворотке крови. Ценность этих методов заключается в том, что они могут помочь диагностировать заболевание на самых ранних стадиях его развития. Увеличение активности альдолазы в сыворотке крови наблюдается при эпидемическом гепатите, а характерные сдвиги в соотношении активности двух аминотрансфераз в сыворотке крови позволяют диагностировать на разных стадиях инфаркт миокарда и инфекционный гепатит.

При мышечных дистрофиях отмечается значительное увеличе- ние в сыворотке крови активности креатинкиназы.
Большое значение при диагностике заболеваний почек имеет определение активности трансамидиназы. Определение активности фермента лизоцима в биологич. жидкостях используют для диагностики лейкемии и некрых заболеваний почек (напр., гломерулонефрита, невротического синдрома).
Особенно большую популярность среди клиницистов получили методы определения количественного и качественного состава изоферментов различных Ф. Так, напр., характерные количественные и качественные изменения изоферментов лактатдегидрогеназы (ЛДГ) имеют место при инфаркте миокарда и инфекционном гепатите. Определение изоферментного спектра ЛДГ успешно применяют тогда, когда необходимо дифференцировать инфаркт миокарда и эмболию (закупорку) легочной артерии. Ф. нашли применение не только в диагностике заболеваний, но и при лечении некрых из них (так наз. энзимотерапия). Уже вскоре после открытия пепсина его стали применять как лекарственное средство при нарушении пищеварения. Довольно успешно применяются в клинике препараты трипсина и химотрипсина в качестве противовоспалительных и противоотечных средств. Хорошо зарекомендовал себя фермент плазмин, особенно в комбинации с гепарином. Широкое применение в клинике нашли препараты гиалуронидазы (лидазы, ронидазы) для лечения процессов, связанных с разрастанием соединительной ткани при образовании так наз. келоидных рубцов. С этой же целью используются препараты коллагеназы, получаемой из бактерий и обладающей высокой протеолитич. активностью по отношению к коллагеновым волокнам соединительной ткани. Этот фермент предотвращает образование грубых обезображивающих рубцов.
Для лечения некрых воспалительных заболеваний, а также в акушерской практике применяется лизоцим. С лечебной целью используются и ингибиторы Ф.: ?-аминокапроновая к-та, трасилол и др. Ф. нашли самое широкое применение в практич. деятельности человека, в частности в легкой, пищевой и химич. промышленности.
Применение препаратов амилазы из грибковаспергиллов (плесеней) на 30% ускоряет созревание теста и позволяет вдвое уменьшить расход сахара на выпечку хлебных изделий высших сортов. Амилаза плесени широко используется в пивоваренной и спиртовой промышленности.

При изготовлении плодовоягодных соков и в виноделии используют фермент пектиназу.
Для того чтобы мясо сделать более мягким и нежным, используют препараты различных протеолитических Ф. растительного, микробного и животного происхождения.
В кожевенном производстве для ускорения процессов освобождения шкур от волосяного покрова и размягчения кож также применяются препараты протеолитических Ф. из плесневых грибков, бактерий и растений, а в сельск. хозяйстве при силосовании кормов для повышения их биологич. ценности используют препараты амилазы. Количество примеров применения Ф. в народном здравоохранении, в сельск. хозяйстве, в промышленности и т. д. продолжает расти. См. также Биохимия.

Новости Кузбасса