В основе многих патологических и предпатологических состояний организма лежат нарушения функционирования ферментных систем. Многие ферменты локализуются внутри клеток, а поэтому в сыворотке (плазме) крови их активность низка или вообще отсутствует. Именно поэтому анализируя внеклеточные жидкости (кровь), по активности определенных ферментов можно выявить изменения, происходящие внутри клеток различных органов и тканей организма. другие ферменты постоянно содержатся в крови, в известных количествах и имеют определенную функцию (например, ферменты системы свертывания крови).

Активность ферментов в сыворотке крови отражает сбалансированность скорости синтеза ферментов внутри клеток и выхода их из клеток. Увеличение активности ферментов крови может быть результатом ускорения процессов синтеза, понижения скорости выведения, повышения проницаемости клеточных мембран, действия активаторов, некроза клеток. Уменьшение активности ферментов вызывается повышением скорости выведения фермента, действием ингибиторов, угнетением синтеза.

Повышение активности в крови того или иного фермента является весьма ранним диагностическим тестом. Дополнительное определение изоферментного спектра позволяет уточнить локализацию патологического процесса, так как каждый орган имеет свой определенный изоферментный спектр.

В клинической биохимии большое значение имеет показатель активности аспарататаминотраисферазы и аланинаминотрансферазы. Эти трансаминазы содержатся в митохондриях и в растворимой фракции цитоплазмы клеток. Роль трансаминаз сводится к передаче аминогрупп аминокислот на кетокислоту. Коферментом трансаминаз служит пиридоксальфосфат, производное витамина В6. В крови животных активность обоих ферментов очень мала, по сравнению с их активностью в других тканях. Однако при патологиях, сопровождающихся деструкцией клеток, трансаминазы выходят через мембраны клеток в кровь, где их активность значительно увеличивается по сравнению с нормой. Несмотря на отсутствие строгой органной специфичности этих ферментов, повышение их активности наблюдают при гепатитах, мышечных дистрофиях, травмах, при чрезмерных физических нагрузках на организм, в частности, у спортивных лошадей.

Лактатдегидрогеназа(ЛдГ), гликолитический фермент, катализирующий обратимую реакцию восстановления пировиноградной кислоты в молочную. ЛдГ состоит из четырех субъединиц и включает пять изоферментов. Причем в мышечной ткани преобладает изофермент ЛдГ5, в сердечной мышце ЛдГ1 и ЛдГ2. При остром инфаркте миокарда у больных в сыворотке крови повышается активность изоферментов ЛДГ1 и ЛдГ2. При паренхиматозном гепатите в сыворотке крови значительно возрастает активность изоферментов ЛдГ4 и ЛдГ5, тогда как активность ЛдГ1 и ЛдГ2 снижается.Активность ЛдГ в цельной крови существенно выше активности фермента в плазме крови. Поэтому даже минимальный гемолиз крови значительно изменяет активность фермента в плазме, что следует учитывать в лабораторной работе.

Креатинфосфокиназа(КФК), важную роль играет в энергетическом обмене. Креатинфосфокиназа необходима для ресинтеза АТФ за счет трансфосфорилирования АдФ с креатинфосфатом. Креатинфосфат относится к богатым энергией фосфатным соединениям,которые обеспечивают сокращение мышечного волокна, его расслабление, транспорт метаболитов в мышечную ткань.

Креатин-Ф + АдФ КФК > Креатин + АТФ.

Креатинфосфокиназа состоит из двух субъединиц - М и В, образующих три изофермента: ММ (мышечныий тип), МВ (сердечный тип), ВВ (мозговой тип).

Анализ тканей свидетельствует, что значительная активность КФК имеет место в скелетной мышце,миокарде, мозге. Сердечная мьшца содержит в основном изофермент ММ и МВ.Повышение активности изофермента МВ в сыворотке крови пациента свидетельствует о поражении сердечной мышцы. Определение изоферментов КФК является лучшим методом диагностики при наследственной мышечной дистрофии у цыплят, при недостатке селена у крупного рогатого скота, при паралитической миоглобинурии у лошадей.

Щелочная фосфатаза (ЩФ), - гидролитический фермент, синтезируемый в основном в печени выделяется из организма в составе желчи. Его оптимум активности находится при рН = 8-9. Это неспецифический фермент, катализирующий гидролиз многих фосфорных эфиров и присутствующий в плазме в форме изоферментов. Основной источник щелочной фосфатазы у молодых растущих животных - костная ткань. Активность щелочной фосфатазы значительно повышается при болезнях печени и костей, в частности, при остеомаляциях. Основная роль щелочной фосфатазы, вероятно, связана с отложением фосфатов кальция в костной ткани. Установлено повышение активности щелочной фосфатазы сыворотки крови при новообразованиях кости.

Холинэстераза - фермент, участвующий в процессе передачи нервного импульса, гидролизу ацетилхолин на ацетат и холин. Холинэстераза сыворотки крови включает два вида холинэстераз организма, основной субстрат которых - ацетилхолин. Ацетилхолинэстераза (АХЭ), гидролизирующая ацетилхолин в синапсах, называется истинной. Она присутствует в печени, эритроцитах и лишь малое ее количество локализовано в плазме. Холинэстераза плазмы крови является псевдохолинэстеразой, она гидролизует бутирилхолин в 4 раза быстрее, чем ацетилхолин. Этот фермент находится также в печени, поджелудочной железе, слизистой оболочке кишечника. Синтез АХЭ сыворотки крови происходит в печени, а поэтому при патологии этого органа наблюдается снижение активности фермента.

Необратимыми ингибиторами АХЭ являются токсические фосфорорганические соединения (ФОС). Так,ФОС инсектициды (хлорофос, фосфамид, карбофос, октаметил) избирательно связывают активные центры молекулы АХЭ и тем самым блокируют ее активность. Вследствие высокой липотропности ФОС способны проникать в организм животного через неповрежденную кожу и слизистые оболочки. При отравлении ФОС отмечают беспокойство животного, чувство страха, возбуждение, судороги, которые развиваются на фоне приступов удушья и кашля из-за спазма бронхов. Характерными при этом являются изменения со стороны глаз: резко суживается зрачок, начинается слезотечение, нарушается аккомодация. Чаще всего непосредственной причиной гибели животного, отравленного ФОС является паралич дыхательного центра.

Амилаза продуцируется слюнными железами и в больших количествах поджелудочной железой. Амилаза обладает специфическим действием на с-1,4-глюкозидные связи полисахаридов. Повышение активности амилазы сыворотки крови свидетельствует о развитии острого панкреатита. Умеренное повышение активности фермента отмечается при воспалении слюнных желез.

8.7.1. В клеточном содержимом ферменты распределены не хаотически, а строго упорядоченно. При помощи внутриклеточных мембран клетка разделена на отсеки или компартменты (рисунок 8.18). В каждом из них осуществляются строго определенные биохимические процессы и сосредоточены соответствующие ферменты или полиферментные комплексы. Вот несколько характерных примеров.

Рисунок 8.18. Внутриклеточное распределение ферментов различных метаболических путей.

В лизосомах сосредоточены преимущественно разнообразные гидролитические ферменты. Здесь протекают процессы расщепления сложных органических соединений на их структурные компоненты.

В митохондриях находятся сложные системы окислительно-восстановительных ферментов.

Ферменты активирования аминокислот распределены в гиалоплазме, но они же есть и в ядре. В гиалоплазме присутствуют многочисленные метаболоны гликолиза, структурно объединенные с таковыми пентозофосфатного цикла, что обеспечивает взаимосвязь дихотомического и апотомического путей распада углеводов.

В то же время ферменты, ускоряющие перенос аминокислотных остатков на растущий конец полипептидной цепи и катализирующие некоторые другие реакции в процессе биосинтеза белка, сосредоточены в рибосомальном аппарате клетки.

В клеточном ядре локализованы в основном нуклеотидилтрансферазы, ускоряющие реакцию переноса нуклеотидных остатков при новообразовании нуклеиновых кислот.

8.7.2. Распределение ферментов по субклеточным органеллам изучают после предварительного фракционирования клеточных гомогенатов путем высокоскоростного центрифугирования, определяя содержание ферментов в каждой фракции.

Локализацию данного фермента в ткани или клетке часто удается установить in situ гистохимическими методами («гистоэнзимология»). Для этого тонкие (от 2 до 10 мкм) срезы замороженной ткани обрабатывают раствором субстрата, к которому специфичен данный фермент. В тех местах, где находится фермент, образуется продукт катализируемой этим ферментом реакции. Если продукт окрашен и нерастворим, он остается на месте образования и позволяет локализовать фермент. Гистоэнзимология дает наглядную и в известной мере физиологичную картину распределения ферментов.

Ферментные системы ферментов, сосредоточенные во внутриклеточных структурах, тонко координированы друг с другом. Взаимосвязь катализируемых ими реакций обеспечивает жизнедеятельность клеток, органов, тканей и организма в целом.

При исследовании активности различных ферментов в тканях здорового организма можно получить картину их распространения. Оказывается, что некоторые ферменты широко распространены во многих тканях, но в разных концентрациях, а другие очень активны в экстрактах, полученных из одной или нескольких тканей, и практически отсутствуют в остальных тканях организма.

Рисунок 8.19. Относительная активность некоторых ферментов в тканях человека, выраженная в процентах от активности в ткани с максимальной концентрацией данного фермента (Мосс, Баттерворт, 1978).

8.7.3. Понятие об энзимопатиях. В 1908 году английский врач Арчибальд Гаррод высказал предположение, что причиной ряда заболеваний может являться отсутствие какого-либо из ключевых ферментов, участвующих в обмене веществ. Он ввёл понятие "inborn errors of metabolism" (врождённый дефект обмена веществ). В дальнейшем эта теория была подтверждена новыми данными, полученными в области молекулярной биологии и патологической биохимии.

Информация о последовательности аминокислот в полипептидной цепи белка записана в соответствующем участке молекулы ДНК в виде последовательности тринуклеотидных фрагментов - триплетов или кодонов. Каждый триплет кодирует определённую аминокислоту. Такое соответствие называется генетическим кодом. Причём некоторые аминокислоты могут быть закодированы при помощи нескольких кодонов. Существуют также специальные кодоны, являющиеся сигналами для начала синтеза полипептидной цепи и его прекращения. К настоящему времени генетический код полностью расшифрован. Он является универсальным для всех видов живых организмов.

Реализация информации, заложенной в молекуле ДНК, включает несколько этапов. Сначала в клеточном ядре в процессе транскрипции синтезируется матричная РНК (мРНК), поступающая в цитоплазму. В свою очередь, мРНК служит матрицей для трансляции - синтеза полипептидных цепей на рибосомах. Таким образом, природа молекулярных болезней определяется нарушением структуры и функции нуклеиновых кислот и контролируемых ими белков.

8.7.4. Поскольку информация о структуре всех белков клетки содержится в последовательности нуклеотидов ДНК, а каждая аминокислота определяется триплетом нуклеотидов, изменение первичной структуры ДНК может в конечном счёте оказать глубокое влияние на синтезируемый белок. Подобные изменения происходят за счёт ошибок репликации ДНК, когда одно азотистое основание заменяется другим, либо в результате действия радиации или при химической модификации. Все возникшие таким образом наследуемые дефекты называются мутациями . Они могут приводить к неправильному считыванию кода и делеции (выпадению) ключевой аминокислоты, замене одной аминокислоты другой, преждевременной остановке белкового синтеза или добавлению аминокислотных последовательностей. Учитывая зависимость пространственной упаковки белка от линейной последовательности в нём аминокислот, можно полагать, что подобные дефекты способны изменить структуру белка, а значит, и его функцию. Тем не менее, многие мутации обнаруживаются только в лабораторных условиях и не оказывают вредного воздействия на функции белка. Таким образом, ключевым моментом является локализация изменений в первичной структуре. Если положение замененной аминокислоты окажется критическим для формирования третичной структуры и образования каталитического центра фермента, то мутация является серьёзной и может проявиться как заболевание.

Последствия недостаточности одного фермента в цепи реакций обмена веществ могут проявляться по-разному. Предположим, что превращение соединения A в соединение B катализирует фермент Е и что соединение C встречается на альтернативном пути превращений (рисунок 8.20):

Рисунок 8.20. Схема альтернативных путей биохимических превращений.

Последствиями недостаточности фермента могут быть следующие явления:

1. недостаточность продукта ферментативной реакции (B ). В качестве примера можно указать на снижение содержания глюкозы в крови при некоторых формах гликогенозов;
2. накопление вещества (A ), превращение которого катализирует фермент (например, гомогентизиновая кислота при алкаптонурии). При многих лизосомных болезнях накопления, вещества, в норме подвергающиеся гидролизу в лизосомах, накапливаются в них в связи с недостаточностью одного из ферментов;
3. отклонение на альтернативный путь с образованием некоторых биологически активных соединений (C ). К этой группе явлений относится экскреция с мочой фенилпировиноградной и фенилмолочной кислот, образующихся в организме больных фенилкетонурией в результате активации вспомогательных путей распада фенилаланина.

Если метаболическое превращение в целом регулируется по принципу обратной связи конечным продуктом, то эффекты двух последних типов аномалий будут более значительными. Так, например, при порфириях (врождённых нарушениях синтеза гема) устраняется подавляющего эффекта гема на начальные реакции синтеза, что приводит к образованию избыточных количеств промежуточных продуктов метаболического пути, которые обладают токсическим действием на клетки кожи и нервной системы.

Факторы внешней среды могут усиливать или даже полностью определять клинические проявления некоторых врождённых нарушений обмена веществ. Например, у многих пациентов с недостаточностью глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы заболевание начинается только после приёма таких лекарственных средств, как примахин. В отсутствие контактов с лекарственными средствами такие люди производят впечатление здоровых.

8.7.5. О недостаточности фермента обычно судят косвенно по повышению концентрации исходного вещества, которое в норме подвергается превращениям под действием данного фермента (например, фенилаланин при фенилкетонурии). Прямое определение активности таких ферментов проводят только в специализированных центрах, но по возможности диагноз следует подтверждать этим методом. Пренатальная (дородовая) диагностика некоторых врождённых нарушений метаболизма возможна путём иследования клеток амниотической жидкости, полученных на ранних стадиях беременности и культивируемых in vitro.

Некоторые врождённые нарушения метаболизма поддаются лечению путём доставки в организм недостающего метаболита или путём ограничения поступления в желудочно-кишечный тракт предшественников нарушенных процессов обмена веществ. Иногда могут быть удалены накапливающиеся продукты (например, железо при гемохроматозе).

Изоферменты – это множественные формы одного фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающие по физическим и химическим свойствам (сродству к субстрату, максимальной скорости катализируемой реакции, электрофоретической подвижности, разной чувствительности к ингибиторам и активаторам, оптимуму рН и термостабильности). Изоферменты имеют четвертичную структуру, которая образована четным количеством субъединиц (2, 4, 6 и т.д.). Изоформы фермента образуются в результате различных комбинаций субъединиц.

В качестве примера можно рассмотреть лактатдегидрогеназу (ЛДГ), фермент, который катализирует обратимую реакцию:

НАДН 2 НАД +

пируват ← ЛДГ → лактат

ЛДГ существует в виде 5 изоформ, каждая из которых состоит из 4-х протомеров (субъединиц) 2 типов М (muscle) и Н (heart). Синтез протомеров М и Н типа кодируется двумя разными генетическими локусами. Изоферменты ЛДГ различаются на уровне четвертичной структуры: ЛДГ 1 (НННН), ЛДГ 2 (НННМ), ЛДГ 3 (ННММ), ЛДГ 4 (НМММ), ЛДГ 5 (ММММ).

Полипептидные цепи Н и М типа имеют одинаковую молекулярную массу, но в составе первых преобладают карбоновые аминокислоты, последних – диаминокислоты, поэтому они несут разный заряд и могут быть разделены методом электрофореза.

Кислородный обмен в тканях влияет на изоферментный состав ЛДГ. Где доминирует аэробный обмен, там преобладают ЛДГ 1 , ЛДГ 2 (миокард, надпочечники), где анаэробный обмен - ЛДГ 4 , ЛДГ 5 (скелетная мускулатура, печень). В процессе индивидуального развития организма в тканях происходит изменение содержания кислорода и изоформ ЛДГ. У зародыша преобладают ЛДГ 4 , ЛДГ 5 . После рождения в некоторых тканях происходит увеличение содержания ЛДГ 1 , ЛДГ 2 .

Существование изоформ повышает адаптационную возможность тканей, органов, организма в целом к меняющимся условиям. По изменению изоферментного состава оценивают метаболическое состояние органов и тканей.

Изоформы креатинкиназы. Креатинкиназа (КК) катализирует реакцию образования креатинфосфата:

Молекула КК - димер, состоящий из субъединиц двух типов: М (от англ, muscle - мышца) и В (от англ, brain - мозг). Из этих субъединиц образуются 3 изофермента - ВВ, MB, MM. Изофермент ВВ находится преимущественно в головном мозге, ММ - в скелетных мышцах и MB - в сердечной мышце. Изоформы КК имеют разную электрофоретическую подвижность (рис. 2-36).

Активность КК в норме не должна превышать 90 МЕ/л. Определение активности КК в плазме крови имеет диагностическое значение при инфаркте миокарда (происходит повышение уровня МВ-изоформы). Количество изоформы ММ может повышаться при травмах и повреждениях скелетных мышц. Изоформа ВВ не может проникнуть через гематоэнцефалический барьер, поэтому в крови практически не определяется даже при инсультах и диагностического значения не имеет.

6. Локализация и компартментализация ферментов в клетке и тканях: ферменты общего назначения, органоспецифические и органеллоспецифические (маркерные) ферменты.

Ферменты по локализации делят на 3 группы:

I– общие ферменты (универсальные)

II- органоспецифические

III- органеллоспецифические

Общие ферменты обнаруживаются практически во всех клетках, обеспечивают жизнедеятельность клетки, катализируя реакции биосинтеза белка и нуклеиновых кислот, образование биомембран и основных клеточных органелл, энергообмен. Общие ферменты разных тканей и органов, тем не менее, отличаются по активности.

Органоспецифичные ферменты свойственны только определенному органу или ткани. Например: Для печени – аргиназа. Для почек и костной ткани – щелочная фосфатаза. Для предстательной железы – КФ (кислая фосфатаза). Для поджелудочной железы – α-амилаза, липаза. Для миокарда – КФК (креатинфосфокиназа), ЛДГ, АсТ и т.д.

Внутри клеток ферменты также распределены неравномерно. Одни ферменты находятся в коллоидно-растворенном состоянии в цитозоле, другие вмонтированы в клеточных органеллах (структурированное состояние).

Органеллоспецифические ферменты . Разным органеллам присущ специфический набор ферментов, который определяет их функции.

Органеллоспецифические ферменты это маркеры внутриклеточных образований, органелл:

Клеточная мембрана: ЩФ (щелочная фосфатаза), АЦ (аденилатциклаза), К-Nа-АТФаза

Цитоплазма: ферменты гликолиза, пентозного цикла.

ЭПР: ферменты обеспечивающие гидроксилирование (микросомальное окисление).

Рибосомы: ферменты обеспечивающие синтез белка.

Митохондрии: ферменты окислительного фосфорилирования, ЦТК (цитохромоксидаза, сукцинатдегидрогеназа), β-окисления жирных кислот.

Ядро клетки: ферменты обеспечивающие синтез РНК, ДНК (РНК-полимераза, НАД-синтетаза).

Ядрышко: ДНК-зависимая-РНК-полимераза

В результате в клетке образуются отсеки (компартменты), которые отличаются набором ферментов и метаболизмом (компартментализация метаболизма).

Среди ферментов выделяется немногочисленная группа р егуляторных ферментов, которые способны отвечать на специфические регуляторные воздействия изменением активности. Эти ферменты имеются во всех органах и тканях и локализуются в начале или в местах разветвления метаболических путей.

Строгая локализация всех ферментов закодирована в генах.

Определение в плазме или сыворотке крови активности органо- органеллоспецифических ферментов широко используется в клинической диагностике.

Вопрос 2. Изоферменты. Понятие. Примеры изоформ лактатдегидрогеназы (ЛДГ) и креатинкиназы (КК). Реакции, катализируемые ЛДГ и КК. Значение определения активности изоферментов в сыворотке крови

Изоферменты, или изоэнзимы - ферменты, катализирующие один и тот же тип реакции с принципиально одинаковым механизмом, но отличающихся друг от друга кинетическими параметрами, условиями активации, особенностями связи апофермента и кофермента.

Природа появления изоферментов разнообразна, но чаще всего обусловлена различиями в структуре генов, кодирующих эти изоферменты. Следовательно, изоферменты различаются по первичной структуре белковой молекулы и, соответственно, по физико-химическим свойствам.

По своей структуре изоферменты в основном являются олигомерными белками. Причем та или иная ткань синтезирует преимущественно определенные виды протомеров. В результате определенной комбинации этих протомеров формируются ферменты с различной структурой - изомерные формы. Обнаружение определенных изоферментных форм ферментов позволяет использовать их для диагностики заболеваний.

Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) - олигомерный белок с молекулярной массой 134000 Д. ЛДГ состоит из 4 пептидных цепей двух типов - M(от. англ. muscle) и H(от. англ.heart). Выделяют 5 изоформ ЛДГ, несколько отличающихся по химическим и физическим свойствам. В отличие от общей ЛДГ, изоформы фермента более или менее специфичны для разных тканей.

• · ЛДГ-1 (HHHH, H 4) - преобладает в сердце, почках и эритроцитах;
• · ЛДГ-2 (HHHM, H 3 M) - в сердце, селезенке и лимфатических узлах; кребс изоформа кровь метаболический
• · ЛДГ-3 (HHMM, H 2 M 2) - в легких;
• · ЛДГ-4 (HMMM, HM 3) - в поджелудочной железе, плаценте;
• · ЛДГ-5 (MMMM, M 4) - в печени и скелетных мышцах.

Появление в эволюции различных изоформ ЛДГ обусловлено особенностями окислительного метаболизма тканей. Изоферменты ЛДГ4 и ЛДГ5 (м-типы) работают эффективно в анаэробных условиях, ЛДГ1 и ЛДГ2 (Н-типы) - в аэробных, когда пируват быстро окисляется до СО2 и Н2О, а не восстанавливается до молочной кислоты.

Фермент лактатдегидрогеназа (ЛДГ) катализирует обратимую реакцию окисления лактата (молочной кислоты) до пирувата (пировиноградной кислоты)

При ряде заболеваний исследуют активность ЛДГ в плазме крови. В норме активность ЛДГ составляет 170 - 520 ЕД/л. Повышение активности определенных изоформ ЛДГ наблюдают при поражениях сердца, печени, почек, а также при мегалобластных и гемолитических анемиях. Для постановки диагноза необходимо исследование изоформ ЛДГ в плазме крови методом электрофореза. Выявление в плазме крови тканеспецифических изоформ ЛДГ широко используется в качестве диагностического теста. При поражении печени в крови повышается активность ЛДГ 5 , а при инфаркте миокарда - ЛДГ 1 .

Креатинкиназа (КК) - это фермент, который катализирует реакцию переноса фосфорильного остатка с АТФ на креатинин с образованием креатинфосфата и АДФ. АТФ (аденозинтрифосфат) - молекула, являющаяся источником энергии в биохимических реакциях человеческого организма.

Реакция, катализируемая креатинкиназой, обеспечивает энергией мышечные сокращения. Различают креатинкиназу, содержащуюся в митохондриях и цитоплазме клеток.

Молекула креатинкиназы состоит из двух частей, которые могут быть представлены одной из двух субъединиц: М, от английского muscle - "мышца", и B, brain - "мозг". Таким образом, в организме человека креатинкиназа есть в виде трёх изомеров: ММ, МВ, ВВ. ММ-изомер содержится в скелетной мускулатуре и миокарде, МВ - в основном в миокарде, ВВ - в тканях головного мозга, в небольшом количестве в любых клетках организма.

Активность КК в норме не должна превышать 90 МЕ/л. Определение активности КК в плазме крови имеет диагностическое значение при инфаркте миокарда (происходит повышение уровня МВ-изоформы). Количество изоформы ММ может повышаться при травмах и повреждениях скелетных мышц. Изоформа ВВ не может проникнуть через гематоэнцефалический барьер, поэтому в крови практически не определяется даже при инсультах и диагностического значения не имеет.