Ферменты необходимы для правильного функционирования всех живых организмов на Земле. Они участвуют в большинстве, если не во всех, химических превращениях в природе, т. е. в миллионах реакций как в растительном, так и в животном мире. Стоит узнать, что такое ферменты, как они работают и каково их значение для современной медицины.
Ферменты - белковые молекулы, ускоряющие или даже активизирующие различные химические реакции в живых организмах, в том числе в организме человека.
С химической точки зрения это катализаторы, т.е. частицы, которые интенсифицируют реакцию, но не расходуются в ходе нее. Это увеличение эффективности химических превращений часто бывает огромным, природные катализаторы могут сократить время реакции с нескольких лет до нескольких секунд.
Ферменты находятся во всех пространствах организма: в клетках, внеклеточном пространстве, в тканях, в органах и в их просвете, то, какие катализаторы вырабатывает данная ткань, определяет ее специфические свойства и роль, которую она играет в организме.
Большинство ферментов очень специфичны, а это значит, что каждый из них отвечает только за один тип химической реакции, в которой участвуют определенные молекулы - субстраты, и только они могут взаимодействовать с данным ферментом.
Активность природных катализаторов зависит от многих факторов: реакционной среды, например температуры, pH, наличия определенных ионов, активаторов - они усиливают действие ферментов и ингибиторов, которые эту активность отменяют.
Ферменты: структура
Как уже упоминалось, большинство ферментов являются белками, они имеют очень разнообразную структуру: от нескольких десятков до нескольких тысяч аминокислот, расположенных в разнообразной пространственной структуре.
Именно форма их образования (так называемая четвертичная структура) и тот факт, что большинство ферментов намного больше, чем субстраты их реакций, в значительной степени ответственны за их активность.
Это связано с тем, что в конструкции ферментов только определенный участок является так называемым активным центром, т.е. фрагментом, ответственным за проведение реакции.
Задачей оставшихся фрагментов молекулы является присоединение определенного субстрата, реже других соединений, влияющих на активность фермента.
Стоит знать, что структура катализатора устроена таким образом, что соединяемая подложка идеально подогнана геометрически, как «ключ к замку».
Как и все белки, ферменты вырабатываются в рибосомах на основе уплотненного в ядре генетического материала - ДНК, таким образом создается так называемая первичная структура.
Затем несколько раз сворачивается - меняя форму, иногда присоединяя сахара, ионы металлов или жировые остатки.
Результатом всех этих процессов является образование активной четвертичной структуры, т.е. полностью биологически активной формы.
Во многих случаях несколько молекул ферментов объединяются для проведения ряда химических реакций, тем самым ускоряя процесс.
Бывает, что несколько тканей содержат ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию, но не всегда они структурно сходны, мы называем их изоферментами.
Названия изоферментов совпадают, несмотря на разницу в расположении и строении, но эти расхождения имеют практическое применение. Благодаря этому в лабораторных исследованиях можно определить только те фракции фермента, которые поступают из конкретного органа.
Механизмы действия ферментов разнообразны, но с химической точки зрения их задача всегда сводится к снижению энергии активации реакции. Это количество энергии, которое должны иметь субстраты для осуществления процесса.
Этого эффекта можно достичь, создав подходящую среду для реакции, используя другой химический путь для получения тех же продуктов или подходящее пространственное расположение субстратов.
Каждый из этих механизмов может использоваться ферментами.
Регуляция активности ферментов
Действие ферментов зависит от параметров окружающей среды: температуры, pH и других. Каждый из природных катализаторов имеет оптимальную производительность при определенных условиях, которые могут широко варьироваться в зависимости от его устойчивости к условиям окружающей среды.
В случае температуры большинство ферментативных реакций протекают быстрее при более высоких температурах, но при определенной температуре эффективность реакции резко падает из-за термического повреждения фермента (денатурации).
По структуре гормоны можно разделить на две группы:
- простые - это всего лишь белковые частицы
- комплексные - которые для своей активности требуют присоединения небелковой группы - кофактора
Последние играют ключевую роль в правильной активности и регуляции активности ферментов.
Кофакторы, в свою очередь, можно разделить на две группы: необходимые для функционирования фермента, прочно связанные с ним - это так называемые простетические группы, это могут быть металлы, органические молекулы, например гем.
Вторая группа - коферменты, они обычно отвечают за перенос субстратов или электронов, и связывание их с ферментом слабое, в эту группу входят, например, фолиевая кислота, кофермент А. Стоит знать, что многие витамины играют роль кофакторов.
Ингибиторы выполняют совсем другую задачу, это частицы, которые ингибируют ферментативную активность путем связывания с ферментом.
Существует несколько типов ингибиторов:
- необратимые - вызывают необратимую дезактивацию молекулы и реакция сможет пройти только после образования нового фермента
- конкурентные - в этом случае ингибитор имеет сходную с субстратом структуру, поэтому они конкурируют за активный центр. Если присоединен ингибитор, то реакция не идет, если субстрат - идет нормально
- неконкурентные - эти ингибиторы связывают фермент в месте, отличном от субстрата, поэтому он может присоединяться к ферменту, но реакция не происходит
При гораздо большей концентрации субстрата, чем ингибитора, действие конкурентного ингибитора преодолевается, поскольку он перевешивает «конкуренцию» за активный центр, в случае неконкурентного его действие не может быть преодолено увеличение концентрации субстрата.
Помимо регуляции в системе активаторов и ингибиторов существует множество других способов контроля активности ферментов.
Они касаются контроля продукции клеткой на уровне образования белка, а также регуляции так называемого посттрансляционного процессинга, т.е. изменений в структуре белковой молекулы, происходящих сразу после ее синтез в рибосоме. Эти модификации заключаются, например, в укорочении полипептидной цепи.
Дополнительные методы регуляции касаются сегрегации и размещения ферментов в соответствующих областях: клеточных и в специфических органеллах или во внеклеточном компартменте.
Есть еще один важный механизм регуляции - отрицательная обратная связь - это основная система управления в эндокринной системе. Он работает путем торможения.
Это означает, что если фермент вырабатывает слишком много определенного гормона, он связывается с ним, ингибируя активность и снижая синтез, поэтому сам продукт реакции ингибирует его выработку.
Ферменты: Роль
Каждая из тканей организма человека вырабатывает определенный набор ферментов, этим определяется роль этих клеток, которую они играют в функционировании организма. Что представляют собой эти ферменты, определяется генетическим кодом и тем, какие его участки активны в конкретной клетке.
В организме человека в любой момент времени происходят тысячи химических реакций, каждая из которых требует определенного фермента, поэтому было бы трудно перечислить все частицы, присутствующие в нашем организме.
Однако стоит знать о нескольких наиболее характерных из них:
- Пищеварительные ферменты - вырабатываются тканями пищеварительной системы, они расщепляют пищу на простые соединения, потому что только такие могут всосаться в кровь. Это внеклеточные ферменты, т.е. их основная задача выполняется вне клеток, в которых они вырабатываются. Некоторые из этих ферментов образуются в неактивной форме, так называемые проферменты или зимогены, и активируются в пищеварительном тракте. К пищеварительным ферментам относятся, например: амилаза, липаза, трипсин.
- Миозин - фермент, содержащийся в мышцах, он расщепляет молекулы АТФ, являющиеся переносчиками энергии, благодаря чему вызывает сокращение мышечных волокон.
- Пероксидазы являются окисляющими ферментами, а каталазы являются восстановительными ферментами
- Ацетилхолинэстераза - фермент, расщепляющий ацетилхолин, один из медиаторов в нервной системе
- Моноаминоксидаза - это фермент, присутствующий в наибольшем количестве в печени, он отвечает за расщепление адреналина, норадреналина и некоторых лекарств
- Цитохромоксидаза, очень важный внутриклеточный фермент, ответственный за превращение энергии
- Лизоцим, то есть защитное вещество, присутствующее в слезах или слюне, уничтожает болезнетворные микроорганизмы
- Алкогольдегидрогеназа, фермент печени, ответственный за расщепление этанола
- Щелочная фосфатаза, участвует в формировании кости остеобластами
Ферменты: номенклатура
Названия ферментов часто бывают довольно сложными, поскольку они происходят от названия реакции, которую они выполняют, и субстрата, участвующего в этой реакции, например, 5-гидрокситриптофандекарбоксилаза.
Обычно к общему названию реакции добавляется суффикс "-аза", а вторая часть названия фермента - название соединения, вступающего в реакцию.
Бывает, что название однословное, тогда оно происходит от субстрата, например лактаза (фермент, расщепляющий лактозу).
Ферменты реже называют в честь общего процесса, в котором они участвуют, например, ДНК-гираза, фермент, ответственный за поворот нити ДНК.
Некоторые ферменты, наконец, получили общие названия или названия, данные их первооткрывателем, такие как пепсин (расщепляющий белки в пищеварительном тракте) и лизоцим (антибактериальный фермент слез).
Есть также небольшая группа ферментов рестрикции, которые отвечают за разрезание цепей ДНК, в этом случае название происходит от микроорганизма, из которого был выделен фермент.
Международный союз биохимиков и молекулярной биологии ввел правила именования ферментов и разделил их на несколько классов с целью стандартизации номенклатуры.
Не заменяет ранее описанные названия, а является скорее дополнением к ним, используемым в основном учеными.
В соответствии с правилами ЕС каждый фермент описывается строкой символов: EC x.xx.xx.xx - где первая цифра означает класс, последующие подклассы и подклассы и, наконец, номер фермента. Упомянутые классы ферментов:
• 1 - оксидоредуктазы: катализируют реакции окисления и восстановления
• 2 - трансферазы: перенос функциональных групп (например, фосфата)
• 3 - гидролазы: соответствуют гидролизу (расщеплению) связей
• 4 - лиазы: расщепляют связи по механизму, отличному от гидролиза
• 5 - изомеразы: ответственны за пространственные изменения молекул
• 6 - лигазы: соединяют молекулы ковалентными связями
Ферменты и лекарства
Значение ферментов для здоровья человека огромно. Их правильная работа позволяет вести здоровый образ жизни, а благодаря развитию аналитических приборов мы научились диагностировать различные заболевания с помощью определения ферментов. Более того, дефицит некоторых ферментов и возникающие в результате болезни можно успешно лечить, к сожалению, в этом вопросе еще многое предстоит сделать.
В настоящее время лечение причин метаболических заболеваний по-прежнему невозможно, поскольку мы не можем безопасно и эффективно модифицировать генетический материал для восстановления поврежденных генов и, следовательно, неправильно вырабатываемых ферментов.
Заболевания, вызванные дисфункцией ферментов
Состояние правильного функционирования нашего организма в значительной степени зависит от правильного функционирования ферментов. Болезненные состояния во многих случаях влияют на количество ферментов, вызывая их избыточное выделение из клеток или, наоборот, дефицит. Ниже приведены лишь некоторые примеры заболеваний, вызванных нарушением функции ферментов, их гораздо больше.
- Метаболические блоки или метаболические заболевания
Метаболические блоки или болезни обмена веществ - это группа наследственных заболеваний, вызванных накоплением веществ в клетке из-за отсутствия фермента, отвечающего за их метаболизм. Субстратов со временем накапливается так много, что они становятся токсичными для клеток и всего организма.
Таких болезней несколько тысяч, и их количество отражает множество ферментов, присутствующих в организме человека, поскольку метаболические заболевания могут влиять на большинство генов, кодирующих ферменты.
Примерами являются галактоземия или гомоцистинурия, т.е. редкие заболевания, чаще всего проявляющиеся сразу после рождения или в первые годы жизни.
- Рак
Еще одна группа заболеваний, в которых может быть задействована неисправность ферментов, - это рак. Помимо многих других функций ферменты также отвечают за регуляцию клеточного деления, это так называемые тирозинкиназы. Если эти ферменты не работают в этой области, клетка может бесконтрольно делиться, что приводит к раковому процессу.
- Эмфизема
Реже встречается эмфизема легких, при которой наблюдается гиперактивность эластазы. Это фермент, присутствующий в легочной ткани, ответственный за расщепление белка эластина, присутствующего, среди прочего, в легких.
При слишком высокой его активности нарушается баланс между разрушением и строительством, возникает рубцевание и развивается эмфизема.
Ферменты: использование в диагностике
Современная медицинская диагностика основана на использовании в их определениях ферментов. Это связано с тем, что болезненные состояния прямо или косвенно приводят к дисбалансу ферментов, вызывая увеличение или уменьшение их количества в крови.
Это может быть следствием не только производственных нарушений, но и, например, выброса большого количества внутриклеточного фермента в кровь или мочу в результате повреждения ее клеточной мембраны.
Примеры ферментов, используемых в лабораторных исследованиях, включают:
- Креатинкиназа - фермент, присутствующий в мышцах, также в сердечной мышце, ее увеличение в несколько раз может свидетельствовать об инфаркте, миокардите, заболеваниях мышц - травмах, дистрофии.
- Лактатдегидрогеназа - присутствует во всех клетках организма, особенно в головном мозге, легких, лейкоцитах и мышцах. Его высокий рост наблюдается при инфаркте, заболеваниях мышц, заболеваниях печени или раке.
- Щелочная фосфатаза в наибольшем количестве содержится в печени и костях, здесь она выделяется остеобластами. Заболевания этих органов могут вызвать ее рост, но избыток щелочной фосфатазы также может свидетельствовать о процессе регенерации костной ткани - после операции или после перелома.
- Кислая фосфатаза встречается во многих органах - печени, почках, костях, простате, с диагностической точки зрения ее повышение может свидетельствовать о заболеваниях костей и простаты.
- Аспарагинаминотрансфераза и аланинаминотрансфераза - специфичные для печени ферменты, обнаруженные почти исключительно в гепатоцитах.
- Глутаматдегидрогеназа и гаммаглутамилтрансфераза - другие ферменты печени, как уже упоминалось ранее, имеют важное значение в диагностике заболеваний этого органа и желчевыводящих путей.
- Амилаза - фермент, присутствующий во многих органах, но наибольшей концентрации она достигает в клетках поджелудочной и слюнных желез, при их заболеваниях ее диагностика имеет наибольшее значение.
- Липаза - еще один фермент поджелудочной железы, он отличается от амилазы специфичностью, это означает, что липаза встречается только в поджелудочной железе и отклонения от нормы в определении этого фермента свидетельствуют о заболевании поджелудочной железы.
- Холинэстераза - фермент, расщепляющий ацетилхолин - медиатор в нервной системе, где он также содержится в наибольшем количестве, в диагностике используется при отравлении фосфорорганическими соединениями.
- Факторы коагуляции и фибринолиза - это вещества, вырабатываемые печенью и участвующие в свертывании крови, их определение важно не только в оценке этого процесса, но и в мониторинге функции печени.
- Альфа-фетопротеин - фермент печени, количество которого увеличивается при заболеваниях этого органа, в том числе при раке.
- С-реактивный белок - вырабатывается печенью, участвует в иммунном ответе, его количество увеличивается в крови при воспалениях - инфекциях, травмах, аутоиммунных заболеваниях.
- Церулоплазмин - еще один фермент печени, повышение которого характерно для болезни Вильсона.
- Пиридинолин и дезоксипиридинолин являются маркерами резорбции (разрушения) кости, характеризуют активность остеокластов (костеобразующих клеток).
- Миоглобин - как упоминалось ранее, это составная характеристика мышц, поэтому его увеличение будет свидетельствовать о поражении скелетных или сердечных мышц.
- Тропонины - так называемые маркеры инфаркта, это ферменты, регулирующие сокращение мышечных волокон, особенно много их в сердечной мышце. Его повреждение вызывает выброс в кровь большого количества тропонинов, что используется при диагностике сердечных заболеваний. Однако стоит помнить, что повышение тропонинов может свидетельствовать не только об инфаркте, но и о его недостаточности, пороках клапанов или легочной эмболии..
Все перечисленные ферменты можно разделить на несколько групп:
- секреторные ферменты - нижняя граница нормы является диагностической. Это ферменты, которые физиологически вырабатываются органами, но при заболеваниях их количество снижается, например факторы свертывания крови
- индикаторные ферменты - важен рост. Эта группа ферментов появляется в большом количестве из-за повреждения органов и утечки ферментов, таких как тропонины
- выделительные ферменты - это ферменты, в норме вырабатываемые в просвете различных органов - рта, кишечника или мочевыводящих путей. Если их отверстия заблокированы, они попадают в кровь, например, амилаза
Стоит помнить, что ферменты используются и в самой медицинской диагностике. Биохимические анализы выполняются с применением ферментов, и соответствующая интерпретация результатов ферментативных реакций позволяет представить результат лабораторного исследования.
Ферменты и лечение
Многие лекарства действуют, влияя на действие ферментов, заставляя их стимулировать их действие или наоборот - являясь ингибиторами. Существуют препараты, являющиеся заменителями ферментов, например панкреатин, содержащий липазу и амилазу, используемые при недостаточности поджелудочной железы.
С другой стороны, некоторые группы лекарств ингибируют действие ферментов, например, ингибиторы ангиотензинпревращающего фермента, используемые, в частности, при гипертонии и сердечной недостаточности, или некоторые антибиотики, например, амоксициллин, ингибирующий фермент бактериальной транспептидазы, что предотвращает строительство бактериальной клеточной стенки, и в результате подавляется инфекция.
Некоторые яды также воздействуют на ферменты. Цианид является сильным ингибитором цитохромоксидазы, основного компонента дыхательной цепи. Его блокировка не позволяет клетке получать энергию, что приводит к ее гибели.
Для правильного протекания жизненных процессов клеток необходимо присутствие многих химических веществ, находящихся в строгих пропорциях друг с другом и между которыми постоянно происходят химические реакции.
Эту задачу выполняют правильно функционирующие ферменты, которые необходимы почти для каждой химической реакции со скоростью и эффективностью, необходимыми для правильного функционирования человеческого организма.
Действие ферментов ускоряет эти процессы во много раз, часто даже в сотни раз, что немаловажно, сами ферменты в ходе реакций не расходуются.
Нехватка катализаторов или их неправильная эксплуатация может привести к возникновению многих заболеваний. С другой стороны, умелая модификация их деятельности позволяет успешно лечить многие недуги.
Энзимология (наука о ферментах) чрезвычайно обширна, и ее развитие может принести не только научный прогресс, но и активно способствовать развитию медицины в области не только лечения, но и диагностики.