Тема 6 Ферменты (2 часа)

Цели:

1. ознакомление с особенностями строения, химическими свойствами ферментов

2. способностью использовать знания о современной естественнонаучной картине мира в образовательной и профессиональной деятельности, применять методы математической обработки информации, теоретического и экспериментального исследования (ОК-4) профиль подготовки Физическая культура. Безопасность жизнедеятельности (очная и заочная форма обучения);

3. готовностью использовать основные методы защиты от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий (ОК-11) профиль подготовки: Физическая культура. Безопасность жизнедеятельности (очная и заочная форма обучения);

4. способностью использовать возможности образовательной среды для формирования универсальных видов учебной деятельности и обеспечения качества учебно-воспитательного процесса (ПК-5) профиль подготовки: Физическая культура. Безопасность жизнедеятельности (очная и заочная форма обучения).

Содержание: Ферменты-биологические катализаторы. Состав и свойства ферментов. Классификация. Механизм действия ферментов. Ферментативные нарушения.

Структурная организация и свойства ферментов. История становления и развития энзимологии. Сходство и различие ферментативного и неферментного катализа. Специфичность действия ферментов. Классификация и номенклатура ферментов. Кофакторы ферментов: ионы металлов и коферменты. Ингибиторы ферментов: обратимые и необратимые, конкурентные. Механизм конкурентного, неконкурентного и бесконкурентного ингибирования ферментов. Ксенобиотики (загрязнение) и металлы как ингибиторы ферментов.

Ферментативная кинетика. Зависимость скорости реакции от количества фермента и субстрата, температуры, рН. Уравнение скорости ферментативной реакции, константа Михаэлиса (Км), ее определение.

Механизм действия ферментов. Значение образования фермент-субстратных комплексов в механизме ферментативного катализа. Стадии ферментативного катализа: сближение и ориентация; напряжение и деформация (индуцированное соответствие); общий кислотно-основной катализ; ковалентный катализ.

Регуляция биокатализа. Генетический и эпигенетический пути. Уровни регуляции активности ферментов. Аллостерические ферменты, механизм их регуляторного действия. Кинетические параметры. Положительная и отрицательная кооперация в работе ферментов. Химическая ковалентная обратимая модификация ферментов (фосфорилирование-дефосфорилирование). Компартментализация ферментов. Ограниченный протеолиз. Ассоциация-диссоциация ферментов. Изоферменты и множественные молекулярные формы ферментов.

Адаптация ферментов к метаболическим функциям. Транскрипция, трансляция, стабилизация. Конститутивные и индуцибельные ферменты.

Роль модуляторов в регуляции активности ферментов на примере фосфофруктокиназы. Тонкие и грубые механизмы регуляции активности ферментов. Ключевые ферменты метаболизма и их регуляция внеклеточными сигналами.

Интерактивная форма Работа с Интернет-источниками современные методы исследования строения ферментов

При освоении темы необходимо:

ответить на контрольные вопросы: см. Фонд оценочных средств. Изучить термины. Обратить внимание на структуру и механизм действия ферментов, белковую природу ферментов.

Ферменты — это вещества белковой природы, являющиеся катализаторами происходящего в организме обмена веществ. При их участии сложные химические реакции, связанные с рас­щеплением и биологическим синтезом большого количества со­единений, протекают в очень короткое время и при сравнитель­но низкой температуре.

Катализаторами вообще называют неорганические и органи­ческие вещества, изменяющие скорость химической реакции, но сами при этом остающиеся неизмененными. В обратимых реак­циях они не изменяют равновесия реакции, но только ускоряют его наступление. Катализаторы обладают известной специфич­ностью, т. е. способностью ускорять только определенные реакции. Все эти свойства катализаторов в полной мере относятся к ферментам — биологическим катализаторам обмена веществ.

Ферменты обладают очень высокой каталитической активно­стью. Они ускоряют течение происходящих в организме химиче­ских реакций в миллионы и даже миллиарды раз (от 1 ·10⁵ до 1·10¹¹).

В большинстве случаев ферменты присутствуют в тканях в малых количествах. Наряду с этим существуют отдельные белки (миозин мышц), обладающие ферментативной активностью, хотя их содержание в ткани весьма велико.

Ферменты — это белки, молекулярный вес которых колеблет­ся в пределах 12 000 — 500 000. По своим физико-химическим свойствам ферменты соответствуют растворимым белкам. Им присущи все те особенности белковых молекул, характеристика которых дана раннее. Процессы, вызывающие нарушение структуры белка или физико-химических свойств, сопровожда­ются изменением его ферментативной активности. Так, денату­рация белка-фермента, вызванная различными методами, при­водит к потере им ферментативной активности.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ

Для того чтобы могла осуществляться химическая реакция, молекулы веществ должны обладать определенной энергией, необходимой для преодоления энергетического барьера. Этот барьер обусловлен силами отталкивания между молекулами или же внутримолекулярными силами сцепления. Энергия, которую необходимо сообщить молекулам, чтобы между ними произошло взаимодействие, называется энергией активации.

Скорость химической реакции может быть повышена как вследствие увеличения числа активированных молекул, так и путем уменьшения высоты энергетического барьера. Активация молекул может быть достигнута за счет повышения температуры. При наличии катализатора наблюдается снижение энер­гетического барьера. По сравнению с другими катализаторами ферменты снижают его особенно значительно.

Согласно современным представлениям о механизме фермен­тативного катализа, в ходе ферментативной реакции образуется промежуточное соединение фермента и субстрата. Молекула фермента имеет активный центр — одну или несколько функциональных групп, способных соединяться с субстратом, который определяет специфичность и каталити­ческую активность фермента. В результате взаимо­действия активного центра фермента с субстратом возникает временное соединение фермента и субстрата — активный фермент— субстратный комплекс распад комплекса, при этом освобождается фермент, а субстрат превращается в другое соединение. Таким образом, в целом фер­ментативная реакция состоит из трех последовательных стадий, а именно: 1) образования фермент-субстратного комплекса, 2) превращения его в комплекс фермент-продукт и 3) диссоциа­ции продукта и фермента (отделения их друг от друга).

Образование фермент-субстратного комплекса приводит к пе­рераспределению внутримолекулярной энергии: снижается прочность подлежащей разрыву связи и реакция осуществляется зна­чительно легче.

Для оценки деятельности ферментов введена величина молекулярной активности, под которой подразумевается число молекул субстрата, претерпевающих изменения в 1 мин. на единицу веса фермента при стандартных условиях (т. е. при оптимальном насыщении фермента субстратом, в условиях температурного и рН-оптимума).

Количество фермента может быть выражено в условных единицах. За единицу принимается такое количество фермента, которое катализирует превращения 1 микромоля субстрата в 1 мин. при стандартных условиях. Содержание фермента в тканях или изолированных препаратах, как правило, выражают числом единиц фермента на 1 мг веса или 1 мг белкового азота. Эта величина носит название удельной активности фермента.

Среди различных факторов, влияющих на скорость фермен­тативной реакции, большое значение имеет концентрация реагирующих веществ и фермента. При постоянном количестве фермента с увеличением концентрации субстратов скорость реакции вначале растет быстро, затем стабилизируется. Дальнейшее увеличение скорости реакции может быть достигнуто путем повышения концентрации фермента. Один и тот же фермент мо­жет катализировать как прямую, так и обратную реакцию, при том направление процесса определяется концентрацией исходных и конечных продуктов реакции.

СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ

Ферменты имеют температурный оптимум активности. Фер­ментативные реакции, подобно другим химическим реакциям, ускоряются при повышении температуры. Характер влияния тем­пературы на ферментативные реакции определяется двумя одновременно протекающими факторами: во-первых, при повышении температуры на 10°С скорость реакции возрастает в 1,5—3 раза (температурный коэффициент реакции); во-вто­рых, при этом усиливается процесс разрушения фермента, связанный с денатурацией белка. Скорость реакции быстро возра­стает при повышении температуры от 0 до 25°С, затем скорость реакции продолжает возрастать медленно, а при температуре выше 40° обычно начинает снижаться. Температурный оптимум.активности большинства ферментов организма близок к темпе­ратуре тела и лежит в пределах 37—40°С. При 60—70°С большинство ферментов полностью теряют свою активность. Известно, что при таких температурах почти все белки подверга­ются необратимой денатурации.

С понижением температуры скорость ферментативных реакций уменьшается, хотя и при 0° Сферменты еще не прекращают своего действия (лишайники осуществляют фотосинтез при отрицательных температурах).

Интересно, что температурный оптимум ферментов внутрен­них органов и крови ограничен узкими пределами, тогда как для ферментов тканей и органов, непосредственно соприкасающихся с внешней средой, он более широк. Снижение активности этих ферментов при изменении температуры происходит не столь резко, что имеет существенное значение для приспособления ор­ганизма к меняющимся температурным условиям окружающей среды.

Термолабильность — чувствительность к высокой температуре— одно из характерных свойств ферментов, обусловленное их белковой природой. Однако имеется несколько термостабильных ферментов, сохраняющих каталитическую активность при температуре 100°. К ним относится фермент мышечной ткани миокиназа.

Ферменты имеют оптимум действия при определенном рН.

Каталитическая активность ферментов зависит от концентрации водородных ионов. Ферменты, так же как и другие белки, могут рассматриваться как амфотерные соединения, в молекуле кото­рых содержится большое количество ионизирующихся групп. В зависимости от концентрации водородных ионов они будут иметь различные количества положительно и отрицательно заряженных групп.

Для многих ферментов характерно, что наибольшая активность проявляется в изоэлектрической точке, т. е. при таком рН, когда общая сумма заряженных групп равна нулю. В полной мере эта активностьпроявляется при строго определенном значении рН среды и резко снижается при изменении его в кислую или щелочную сторону. Иначе говоря, каждый фермент имеет свой оптимум рН, при котором активность фермента максимальна. Для многих тканевых ферментов он близок к нейтральной реакции, но существует и немало ферментов, рН-оптимум которых смещен в кислую или щелочную сторону. Например, тканевые протеиназы (ферменты, расщепляющие белки) имеют рН-оптимум в кислой среде, а тка­невая аргиназа (фермент, расщепляющий аминокислоту арги­нин) — в щелочной. Смещение рН-оптимума тканевых ферментов в сторону от нейтральной реакции имеет существенное физиологическое значение. Клетка, находящаяся в состоянии функционального покоя, имеет реакцию, близкую к нейтральной, и поэтому активность ряда ферментов в ней невысокая. Когда же при функциональной активности клетки рН несколько сдвигается в кислую или щелочную сторону, активность этих ферментов возрастает.

Ферменты пищеварительных соков могут проявлять максимальную активность при реакции, нередко очень далекой от нейтральной; например, пепсин расщепляет белки в желудке при рН — 2,0.

Отличительным свойством ферментов служит их высокая специфичность. Она заключается в том, что каждый фер­мент действует на определенный субстрат или группу субстратов, сходных по своему строению.

Например, ферменты, гидролизующие белки (трипсин, пепсин), не гидролизуют крахмала. С другой стороны, амилаза-фермент, расщепляющий крахмал, не действует на белки.

Степень специфичности у разных ферментов проявляется по-разному. Во многих случаях фермент действует только на одно вещество и может катализировать только одну реакцию. Так, уреаза катализирует расщепление только мочевины и не действует ни на какие другие соединения.

Наряду со строгой специфичностью различают и относительную специфичность фермента, когда он может действовать на ряд веществ, катализируя, одна­ко, одну и ту жу реакцию. Эстераза, например, катализирует гидролиз различных по своей структуре сложных эфиров; липаза— гидролиз различных жиров.

Существуют ферменты, обладающие стереохимической специфичностью, т. е. действуют только на один из стереоизомеров.

Так, восстановление пировиноградной кислоты до l-молочной кислоты происходит под влиянием лактатдегидрогеназы, а до d-молочной кислоты — под влиянием другого фермента — d-лактатдегидрогеназы.

АКТИВАТОРЫ И ИНГИБИТОРЫ ФЕРМЕНТОВ

Многие ферменты нуждаются в присутствии различных веществ, которые повышают их каталитическую активность. Роль активаторов могут выполнять ионы металлов (Na⁺, K⁺, Са⁺⁺, Mg⁺⁺, Mn⁺⁺, Co⁺⁺, Ni⁺⁺) и некоторые анионы (например, С1^-). Так, аденозинтрифосфатаза (АФТ-аза) мышц, катализирующая расщепление аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) на аденозиндифосфорную кислоту (АДФ) и неорганический фосфат, активируется ионами Са⁺⁺. Кроме того, в мембранах клеток существует АТФ-аза, активируемая ионами Na⁺ и К⁺. Ион хлора активирует различные амилазы — ферменты слюны и подже­лудочной железы, расщепляющие крахмал. Фермент аргиназа активируется ионами Со⁺⁺, Ni⁺⁺ и Мn⁺⁺.

Наряду с активаторами имеются вещества, угнетающие фер­ментативную активность,— ингибиторы. Однако следует иметь в виду, что деление веществ на активаторы и ингибиторы в ряде случаев весьма условно. Иногда одно и то же вещество при раз­личных концентрациях может себя вести и как ингибитор и как активатор.

В качестве ингибиторов ферментов могут выступать вещества, блокирующие активный центр молекулы фермента. Например, ионы Ag⁺, Hg⁺⁺, Pb⁺⁺ угнетают почти все известные ферменты. В ряде случаев в качестве конкурентных ингибиторов могут быть вещества, сходные по строению с субстратами ферментов. Так, например, активность фермента сукцинатдегидрогеназы, окисляющей янтарную кислоту, тормозится гомологом этого вещества— малоновой кислотой:

Использование специфических ингибиторов ферментов позволяет изучать сложные биохимические системы, расчленяя их на ряд более простых процессов.

СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ

Все известные ферменты можно разделить на две группы: ферменты-протеины и ферменты-протеиды. К ферментам-протеинам относятся некоторые ферменты, расщепляющие белки в желудочно-кишечном тракте: пепсин, трипсин. Эти ферменты, а также уреаза, были первыми (после многократной очистки) получены в кристаллическом виде. Ферменты-протеиды состоят из белка и активного вещества небелковой природы. Это активное соединение получило название кофермент а, а белковая часть — апофермента. Прочность связи кофермента с белком у разных ферментов неодинакова. У некоторых ферментов кофермент прочно соединен с белком и трудно от него отделим. Наряду с ними имеются ферменты, у которых кофермент легко отделяется от белка. У двухкомпонентного фермента образование фермент-субстратного комплекса происходит через кофермент. Однако в каталитическом процессе участвует вся белковая молекула. Функция белковой части фермента заключается в том, что она увеличивает скорость катализа и обусловливает специфичность взаимодействия между ферментом и субстратом. Так, например, производное витамина В_б — фосфопиридоксаль— является коферментом более 30 различных ферментов, из которых в зависимости от своей белковой молекулы одни катализи­руют реакции переаминирования, другие — реакции декарбоксилирования.

Коферменты. Кофермент, иногда называемый еще кофактором или простетической группой, представляет собой обычно термостабильное органическое соединение или ион металла. Функции коферментов, их химическая природа и механизм действия разнообразны. Имеются специфические коферменты — непосредственно участвующие в ферментативной реакции, чаще всего как переносчики групп, и коферменты активаторы — непосредственно действующие на фермент, переводя его в активное состояние. К ним относятся ионы металлов.

Кофермент обычно имеет сложное строение. Он может выполнять функции катализатора, однако его активность резко усиливается при соединении с белковой частью фермента. Во многих ферментах в качестве кофермента выступают вещества, относя­щиеся по своей природе к витаминам. Так, например, важнейшие коферменты биологического окисления, выполняющие роль переносчиков водорода и электронов, никотинамид-аденин-динуклеотид (НАД), никотинамид-динуклеотид-фосфат (НАДФ) и рибофлавинфосфат являются производными витаминов РР и В₂. Как уже говорилось, коферментом перенесения аминогрупп с аминокислот на кетокислоты (реакция переаминирования) являются производные витамина В₆— пиридоксаль-5-фосфат и пиридоксамин-5-фосфат. Во многих реакциях (расщеплении и синтезе жирных кислот, синтезе стеринов и нейтральных жиров, окислении ацетила до СО₂ и Н₂О) принимает участие кофермент ацетилирования коэнзим А (КоА), являющийся производным витамина пантотеновой кислоты. Этот кофермент служит промежуточным акцептором и переносчиком различных кислотных остатков.

Перенос фосфатных групп осуществляется нуклеотидтри-ди-фосфатами (главным образом с участием аденозинфосфорных кислот АТФ, АДФ, АМФ), действующими как коферменты в реакциях трансфосфорилирования.

Среди коферментов, участвующих в реакциях декарбоксилирования кетокислот и переноса карбоксильных групп, можно вы­делить тиаминпирофосфат — производное витамина В_ь биотин — витамин Н — и кобамидные коферменты — производные витамина B₁₂.

Изоферменты. Ферменты, имеющие одинаковый тип функциональной активности, т. е. катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся белковым компонентом, получили название изоферментов.

Изоферменты различаются между собой аминокислотным составом, адсорбционными, иммунохимическими и кинетическими свойствами, термостабильностью, оптимумом рН и другими особенностями. В организме человека и животных выявлено много ферментов, состоящих из изоферментов. Среди них следует назвать лактатдегидрогеназу, глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназу, малатдегидрогеназу, креатинкиназу, фосфатазу, амилазу, гексокиназу. Так, изучено пять изоферментов лактатдегидрогеназы, различающихся по чередованию полипептидных цепей. Белковая молекула этих изоферментов состоит из четырех полипептидных цепей, которые могут быть двух видов («Н» и «М»). В сердечной мышце лактатдегидрогеназа построена из четырех полипептид­ных цепей вида «Н», т. е. ее молекула состоит из «Н₄». В скелетной мышце фермент состоит только из полипептидных цепей вида «М», т. е. «М₄». В дру­гих органах молекулы лактатдегидрогеназы различаются соотношением этих полипептидных цепей: «Нз, М», «Н₂, М₂», «Н, Мз».

Для выявления изоферментов с большим успехом применяют метод электрофореза экстракта ткани или сыворотки крови.

В силу различий в величине заряда белковых молекул отдельные изоферменты передвигаются в электрическом поле с разной скоростью и могут быть отделены друг от друга.

Присутствие в отдельных органах специфических изоферментов имеет важное диагностическое значение и используется в клинической биохимии для выявления патологических процессов. Повышение уровня отдельных изоферментов или изменение ферментного спектра в крови является настолько спе­цифическим, что может служить решающим подтверждением клинического диагноза.

Аллостерические ферменты. Ферменты, которые наряду с активным цент­ром, реагирующим с субстратом, имеют специфический участок, взаимодейст­вующий с другим веществом, называются аллостерическими. Термин аллостерический, т. е. структурно несвязанный, показывает, что регуляция активности фермента может осуществляться веществом, отличающимся по своей структуре от субстрата. Такие вещества называют аллостерическими эффекторами. Регуляция активности аллостерических ферментов осуществляется аллостерическими эффекторами. При взаимодействии эффектора с определен­ным участком молекулы фермента изменяется третичная или четвертичная структура белка, а в связи с этим — взаимное расположение функциональных групп, входящих в активный центр. В зависимости от изменения структуры белковой молекулы может наблюдаться активирование или ингибирование фермента. Аллостерические ферменты выполняют важную роль в регуляции внутриклеточного обмена веществ.

КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ

В настоящее время изучено свыше 800 различных ферментов. Наименования ферментов образуют от названия реакций, ими катализируемых, от наименований основных субстратов

реакции или сочетая и то и другое и добавляют при этом оконча­ние «аза». Например, дегидрогеназа — фермент, катализирую­щий отщепление водорода при реакциях окисления; глюкозо-6-фосфатаза — фермент, расщепляющий глюкозо-6-фосфат; пеп­тид-гидролаза — фермент, катализирующий гидролитическое расщепление пептидной связи в белках и т. д. Существующая классификация основана на типах катализируемых химических реакций. Все ферменты могут быть разделены на следующие шесть групп:

1. Оксидоредуктазы — ферменты, катализирующие окисли­тельно-восстановительные реакции. Эта большая группа фермен­тов, присутствующих во всех тканях, включает несколько подгрупп:

а) дегидрогеназы — ферменты, катализирующие окисление вещества путем переноса водорода с одного субстрата на другой:

В зависимости от субстрата, окисление которого катализирует данная дегидрогеназа, она и получает свое полное наименова­ние. Например, алкогольдегидрогеназа, глицерофосфатдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа (окисляющая молочную кислоту), глютаматдегидрогеназа и пр.

Акцептором водорода (т. е. веществом, принимающим водо­род) в реакциях, катализируемых этими ферментами, служат НАД и НАДФ. Существует также ряд дегидрогеназ, участвующих в транспорте электронов от восстановленных форм никотин-амиддинуклеотидов по системе цитохромов, например НАД • Н₂-цитохром с-оксидоредуктаза, НАД • Н₂-цитохром-в-5-оксидоредуктаза и др.;

б) оксид азы — ферменты, переносящие водород с окисляемого субстрата на кислород

Среди них следует указать оксидазу аминокислот, моноаминооксидазу, пиридоксальаминооксидазу, цитохромоксидазу, а также ферменты, катализирующие транспорт водорода от субстра­та на перекись водорода (пероксидаза)

и разлагающие перекись водорода с образованием кислорода и воды (каталаза)

2. Трансферазы — обширная группа ферментов, ускоряющих перенос атомов или групп атомов и радикалов с одного субстрата на другой. Она может быть разделена на следующие под­группы:

а) метилтрансферазы — ферменты, переносящие метильную группу (—СНз)

К числу их относятся никотинамид-метилтрансфераза, серин-оксиметилтрансфераза и др.;

б) ацилтрансферазы — ферменты, переносящие кислотный остаток:

Примерами ферментов этой подгруппы могут служить холин-ацетил-трансфераза, ацетил-КоА-ацетил-трансфераза и др.;

в) г л и коз и л тр а н сфе р а з ы — ферменты, переносящие
остаток моносахарида — гдикозил:

К числу этих ферментов относится фосфорилаза, перенося­щая остаток глюкозы от молекулы гликогена на фосфорную кис­лоту с образованием глюкозо-1-фосфата, фосфорибозил-трансфераза, аденозилфосфорилаза и другие ферменты;

г) аминотрансферазы — ферменты, переносящие аминогруппу с аминокислот на кетокислоты:

Важнейшими из них являются: аспартат-аминотрансфераза, аланин-аминотрансфераза, тирозин-аминотрансфераза;

д) фосфотрансферазы — ферменты, переносящие оста
ток фосфорной кислоты, как правило, либо с нуклеотидфосфатов
на другие вещества, либо с фосфорсодержащих соединений на
нуклеотидфосфаты:

В эту обширную подгруппу ферментов входят: гексокиназа, фруктокиназа и фосфофруктокиназа, переносящие фосфатный остаток с аденозинтрифосфорной кислоты соответственно на глю­козу, фруктозу или фруктозо-6-фосфат; креатинкиназа, катализирующая обратимый перенос фосфатного остатка с креатин-фосфата на аденозиндифосфорную кислоту; пируваткиназа, переносящая фосфатный остаток с фосфсээнолпировиноградной кислоты на аденозиндифосфорную кислоту, и многие другие ферменты;

е) сульфидтрансферазы ферменты, переносящие группы с атомом серы. Например, оксалат-КоА-трансфераза, КоА-трансфераза β-кетокислот;

ж) амидинтрансферазы ферменты, переносящие амидиновую группу —C=NH

|

NH₂

К ним относится, например, аргининглицинамидинтрансфераза, переносящая амидиновую группу с аргинина на глицин при синтезе креатина.

3. Гидролазы — ферменты, катализирующие при участии воды расщепление сложных органических соединений (белков, жиров, липоидов, полисахаридов) по месту эфирной или пептидной связи. Эта большая группа ферментов, присутствующих в раз­личных тканях, в зависимости от природы гидролизуемого субстрата может быть разделена на несколько подгрупп:

а) эстеразы — ферменты, катализирующие гидролиз сложных эфиров (жиров, фосфатидов и др.):

К ним относятся такие ферменты, как гидролизующая жиры липаза, фосфолипаза А, ацетилхолинэстеразаи, холинэстераза и др.; б) гидролазы фосфомоно- и диэфиров — ферменты, катализирующие отщепление фосфорной кислоты от различ­ные соединений (нуклеотидов и нуклеиновых кислот, фосфорных эфиров углеводов):

Важнейшими из них являются: щелочная фосфатаза, кислая
фосфатаза, глюкозо-6-фосфатаза, глюкозо-1-фосфатаза, фосфодиэстераза, дезоксирибонуклеаза;

в) глюкозидазы — ферменты, участвующие в гидролизе глюкозидов, ди-, три- и полисахаридов (гликогена, крахмала, сахарозы, мальтозы и др.):

К ним относятся амилаза, галактозидаза, нуклеозидаза и дру­гие ферменты;

г) пептид-гидролазы — ферменты, катализирующие
гидролитическое расщепление белков и полипептидов по месту
пептидной связи:

К ним относятся аминопептидаза, карбоксипептидаза, пепсин, трипсин, химотрипсин, энтеропептидаза, катепсин и т. д.;

д) амидазы — ферменты, катализирующие гидролитиче­ское отщепление аминогруппы от амидов, пуринов, нуклеотидов и других соединений:

К ним принадлежат аспарагиназа, глютаминаза, адениндеза-миназа, АМФ-дезаминаза, гидролитически отщепляющие амино­группы от амидов аспарагиновой и глютаминовой кислот, от аденина и аденозинмонофосфорной кислоты; уреаза, разлагающая мочевину на СО₂ и две молекулы NНз, и другие ферменты;

е) полифосфатазы — ферменты, гидролизующие фосфо-ангидридные связи:

Важнейшими среди них являются: аденозинтрифосфатаза, нуклеотид-пирофосфатаза, неорганическая пирофосфатаза.

4. Лиазы— ферменты, отщепляющие от субстрата негидроли­тическим путем ту или иную группу или расщепляющие углерод­ную цепь (связь — С—С—).

К ним относятся, например, пируватдекарбоксилаза, фермен­ты, декарбоксилирующие карбоновые кислоты, альдолаза, рас­щепляющая фруктозо-1 -6-дифосфат на две фосфотриозы, и др.

Изомеразы — ферменты, катализирующие реакции внутри­
молекулярного перемещения различных групп. К этим фермен-
гам относятся, например, глюкозофосфат-изомераза, катализирующая превращение глюкозо-б-фосфата во фруктозо-6-фосфат; триозофосфат-изомераза, катализирующая превращение фосфо- диоксиацетона в глицеральдегид-3-фосфат; фосфоглицерат-мутаза, катализирующая перемещение фосфатной группы фосфоглицериновой кислоты от третьего углеродного атома ко второму.

Лигазы, или синтетазы, — ферменты, катализирующие реак
ции биосинтеза за счет энергии АТФ или других нуклеотидтрифосфатов. Сюда относятся ферменты, синтезирующие ди- и полисахариды, жиры и липоиды, белки, нуклеиновые кислоты, а также ряд промежуточных продуктов обмена веществ — соедине­ние аминокислот с т-РНК, остатков жирных кислот (ацилов) с коэнзимом А и т. п.

ВЫДЕЛЕНИЕ И ОЧИСТКА ФЕРМЕНТОВ

Чрезвычайно важная роль, которую выполняют ферменты в обмене веществ, явилась причиной того, что они стали объектом многочисленных исследований. Для получения ферментов в кристаллическом виде применяют методику выделения белков. Наиболее распространенным методом является фракционное осаждение фермента из тканевого экстракта сульфатом аммония или органическими растворителями (ацетоном, спиртом). Кроме того, применяют методы хроматографии на колонках, заполнен­ных порошком целлюлозы, электрофорез на различных поддер­живающих средах (агар, акриламид, крахмал). Полученные растворы белков центрифугируют при очень больших скоростях, что позволяет оценить их молекулярный вес. Многие ферменты удалось выделить из тканей и получить в кристаллическом виде, изучить механизм ферментативного катализа, свойства этих фер­ментов, условия образования фермент-субстратных комплексов, выяснить роль ингибиторов, строение и функцию коферментов. В результате тщательного изучения отдельных ферментов выяс­нено строение активных центров трифосфоглицератдегидрогеназы, креатинфосфокиназы и др.; расшифрованы аминокислотный состав и последовательность расположения аминокислот в мо­лекуле белка рибонуклеазы — фермента, катализирующего превращения нуклеиновых кислот.

ЛОКАЛИЗАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ

Ферменты и коферменты образуются в организме в процессе его жизнедеятельности. Ферменты находятся в клетках, либо в протоплазме, либо фиксированы на тех или иных субклеточных структурах. Кроме того, ферменты содержатся в крови и межклеточных тканевых жидкостях. Пищеварительные ферменты находятся в клетках соответствующих желез (слюнных, железистых клетках эпителия желудка и тонких кишок, поджелудочной) в форме неактивных проферментов и проявляют свою активность лишь будучи выделены в просвет желудочно-кишечного тракта. Здесь они претерпевают биохимические изменения, сводящиеся к отщеплению веществ, блокирующих активные центры этих ферментов.

ЗНАЧЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ В ОБМЕНЕ ВЕЩЕСТВ ОРГАНИЗМА

Из всего сказанного в главе следует, что ферменты являются обязательными участниками происходящих в организме реакций обмена веществ. Снижая энергетический барьер реагирующих веществ, они катализируют реакции и делают возможным их протекание в условиях температуры тела. Они увеличивают скорость протекания реакций, но в ряде случаев могут и снижать ее. Все происходящие в живом организме биохимические процес­сы направляются и регулируются координированной системой ферментов. Ферменты обеспечивают такой контроль за скоростями различных реакций, при котором между ними устанавливается правильное соотношение, и они точно соответствуют имеющимся в организме условиям.

ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ В МЕДИЦИНЕ

Типичным примером подобной связи болезни с отсутствием синтеза в печени специфического фермента является фенилпировиноградная олигофрения – наследственное заболевание, приводящее в раннем детстве к гибели ребенка или к развитию тяжелой умственной отсталости. Молекулярный дефект болезни заключается в блокировании превра­щения незаменимой аминокислоты фенилаланина (Фен) в тирозин (Тир) в соответствии с уравнением

Фен-4-гидроксилаза, точнее Фен-4-монооксигеназа, – не синтезируется в клетках пе­чени, единственном органе, где он в норме открыт. Следствием этого молекулярного нарушения обме­на фенилаланина является развитие тяжелого на­следственного заболевания, обусловленного избы­точным накоплением самого фенилаланина и продуктов его побочного пути обмена – фенилпировиноградной кислоты (отсюда и название болезни) – в организме, в частности в ткани мозга и сы­воротке крови больных детей. Обычно диагноз ставят на основании химического метода открытия фенилаланина или фенилпировиноградной кислоты на пеленках детей. Лечение в основном сводится к исключению из питания ребенка (в том числе и из молока матери) аминокислоты фенилаланина. Для такого ребенка тирозин (см. отличия в формулах) оказывается незаменимой аминокислотой.

Аналогично, развитие другого тяжелого наследственного заболевания – галактоземии, то есть непереносимость молочного сахара, связано с отсутствием синтеза в клетках печени фермента, катализирующего превращение галактозы в глю­козу. Следствием подобной аномалии является накопление галактозы в тканях и развитие катарак­ты в раннем детстве, поражения тканей печени и мозга, нередко приводящие к гибели ребенка; лече­ние в этом случае сводится к исключению из диеты молочного сахара.

Диагностическая энзимология достигла огромных успехов, помогая врачу не только в постановке правильного диагноза заболевания и выяснения степени тяжести болезни, но и в определении пра­вильности избранного метода лечения. В настоящее время разработаны количественные методы анализа многих распространенных ферментов, выявляе­мых в биологических жидкостях при поражении разных органов. Для каждого из этих ферментов определены контрольные величины (уровни) активности и пределы колебания в норме как в сыворотке крови, так и в самом органе.

Первым из них является упоминавшаяся выше лактатдегидрогеназа (ЛДГ), которая катализирует обратимое превращение пировиноградной кислоты в молочную кислоту по уравнению

Следует подчеркнуть, что ЛДГ является ключевым ферментом анаэробного обмена углеводов во всех живых организмах, определяя скорость образования энергии в виде аденозинтрифосфата (АТФ).

ЛДГ – широко распространенный фермент, он синтезируется почти во всех клетках организма че­ловека; различают два типа ЛДГ: так называемый сердечный тип, и мышечный тип, обозначаемый M-тип (от англ. muscle); каждый из них состоит из четырех
субъединиц, обозначаемых соответственно цифрами. Если в молекуле ЛДГ все четыре субъединицы представлены H-типом, ее обозначают ЛДГ H₄; если все субъединицы составлены из M-типа, тогда фермент обозначают M₄. Поскольку в клетках все­гда содержатся оба типа молекул H и M, суммарно четыре субъединицы строятся как из H-, так и из M-типов. Таким образом, различают 5 изоферментов ЛДГ.

При органическом поражении сердечной мышцы, например при инфаркте миокарда, в сыворотке крови резко повышается уровень не только общей лактатдегидрогеназы, но, что очень важно для точности диагноза, это повышение преимущественно обусловлено изоферментами 1 и 2, соответственно H₄ и H₃M₁.

С другой стороны, при поражениях скелетной мускулатуры, а также при воспалительных процессах печени (гепатиты) или при вирусных поражени­ях ткани печени, и наконец, при отравлении четыреххлористым углеродом или другими ядами, когда преимущественно поражается печень, вызы­вая некроз ткани, изоферментный спектр перемещается слева направо (то есть уровни 5 и 4 изоферментов ЛДГ резко повышаются при почти неизмененном уровне 1 и 2 изоферментов). Эти результаты очень важны для лечащего врача, который на основании главным образом клинической картины болезни, лабораторных данных, электрофоретической картины спектров ЛДГ ставит оконча­тельный диагноз и приступает к лечению больного. Естественно, что методы лечения будут резко отличаться, и в выборе этих методов немалую роль играет изоферментный спектр ЛДГ сердечного или мы­шечного типа.

Вторым ферментом, диагностическая ценность которого еще выше, в особенности при инфаркте миокарда, является креатинфосфокиназа (КФК), катализирующая биосинтез креатинфосфата из креатина и АТФ в соответствии с уравнением

Креатинфосфокиназа – ключевой фермент биосинтеза макроэргического (наделенного или содер­жащего высокий энергетический потенциал) субст­рата – креатинфосфата, играющего наряду с АТФ выдающуюся роль в биоэнергетике сердечной мышцы и всего организма. Оказалось, что молекула КФК также состоит из двух типов субъединиц: из M-типа (то есть мышечный тип, от англ. muscle) и B-типа (то есть мозговой; от англ. brain); соответственно выделены и охарактеризованы три изофермента КФК, которые обозначаются латинскими буквами: MM-изофермент (мышечный тип), преимущественно характерный для поперечно-полосатой мускулатуры, BB-изофермент (мозговой тип, преимущественно содержится в ткани мозга) и смешанный тип, обозначаемый MB-изоферментом, который содержится только в сердечной мышце.