ФЕРМЕНТЫ (энзимы)

Смотрите также:

биология

Медицинский справочник

физиология

болезни

Болезни желудка и кишечника

Болезни кровообращения

медицина

Болезни нервной системы

Микро-биология

микробиология

Палео-патология – болезни древних людей

Общая биология

Лечебное питание

Лекарственные растения

История медицины. Сорокина

Марчукова. Медицина в зеркале истории

Биографии врачей и биологов

Пособие по биологии

— специфические белки, выполняющие в организме функции биологических катализаторов, т. е. веществ, ускоряющих течение различных химических реакций. Ферменты 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 ферментов, 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 ферментов от химич. катализаторов является высокая специфичность их действия, т. е. каждый фермент действует на вполне определенное вещество или на химич. связь строго определенного типа. Напр., фермент лак-таза 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 протеолитпческими Ф.— пепсином, трипсином и химотрипсином на крупные фрагменты полипептидной 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. Значительным 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 адсорбции (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 крп-сталлич. 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 белка-фермента. Нек-рые 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. нзофер-менты (изоэнзимы), к-рые характеризуются одним типом субстратной специфичности, но различаются по ряду физ.-хим. свойств.

Ф., как и все белки, могут быть простыми н 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 кофермен-том. Коферментами могут являться углеводы, нуклеотиды, ионы различных металлов н 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 инактивиру-ются. Однако нек-рые Ф. (напр., ри-бонуклеаза, 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 нек-рых 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 з'словиях 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 физиология, значениях рН (ок. 7,0). В кислой и щелочной среде они инактивируют-ся. Исключение составляют пепсин и нек-рые 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.

Нарушение действия Ф. может также наступать при недостатке в организме витаминов, большинство к-рых является коферментами. Так, напр., кофер-ментом 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. ги-перферментемия. Основой гиперфер-ментемии часто является также увеличение синтеза Ф. При изменении оптимальных условий действия Ф. под влиянием различных факторов (радиации, хиыич. 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 увеличение в сыворотке крови активности креа-тинкиназы. Большое значение при диагностике заболеваний почек имеет определение активности трансамидиназы. Определение активности фермента ли-зоцима в биологич. жидкостях используют для диагностики лейкемии и нек-рых 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 лактатдегидрогена-зы (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 нек-рых из них (так наз. энзимо-терапия). Улсе 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 гиа-луронидазы (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 нек-рых воспалительных заболеваний, а также в акушерской практике применяется лизоцим.

С лечебной целью используются и ингибиторы Ф.: е-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 грибков-аспергиллов (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 плодово-ягодных соков и в виноделии используют фермент пекти-назу. 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

Медицинская энциклопедия