Ферменты

 

Одной из разновидностей необратимого ингибирования является суицидальное ингибирование. Этот вид ингибирования особенно интенсивно изучается фармакологами как путь рациональной разработки лекарственных препаратов. Суть его заключается в том, что биологически инертный субстрат, после преобразований в активном центре определённого фермента превращается в реакционную молекулу, необратимо блокирующую работу каталитического центра фермента.

Например, данный вид ингибирования нашёл применение при лечении африканской сонной болезни (African trypanosomiasis), которую вызывает трипаносомы Trypanosomas Brucei gambiense. Важным процессом в жизнедеятельности трипаносомы является синтез полиаминов (спермина и спермидина) для упаковки ДНК. Первым этапом этого процесса является декарбоксилирование аминокислоты орнитина с помощью пиридоксаль-зависимого фермента орнитин декарбоксилазы. У трипаносом в отличие от человека этот фермент медленно регенерирует и является долгоживущим. Был синтезирован суицидальный ингибитор дифторметилорнитин (DFMO). В результате реакции фтор блокирует активный цент фермента, чем вызывает гибель трипаносомы.

Обратимое ингибирование

При обратимом ингибировании происходит непрочное связывание ингибитора с функциональными группами фермента, вследствие чего активность фермента постепенно восстанавливается.

Примером обратимого ингибитора может служить прозерин, связывающийся с ферментом ацетилхолинэстеразой в ее активном центре. Группа ингибиторов холинэстеразы (прозерин, дистигмин, галантамин) используется при миастении, после энцефалита, менингита, травм ЦНС.

Конкурентное ингибирование

При таком виде ингибирования ингибитор по своей структуре похож на субстрат фермента. Поэтому он соперничает с субстратом за активный центр, что приводит к уменьшению связывания субстрата с ферментом и нарушению катализа. В этом состоит особенность конкурентного ингибирования – возможность усилить или ослабить ингибирование через изменение концентрации субстрата.

Например:

1. Конкурентное взаимодействие этанола и метанола за активный центр алкогольдегидрогеназы. Лечебные мероприятия включают конкурентное вытеснение метанола из активного центра алкогольдегидрогеназы путём медленной внутривенной инфузии этанола. Такая конкурентная замена препятствует образованию формальдегида.

2. Ингибирование сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой, структура которой схожа со структурой субстрата этого фермента – янтарной кислоты (сукцината).

Конкурентное ингибирование сукцинатдегидрогеназы

3. Также к конкурентным ингибиторам  относят антиметаболиты или псевдосубстраты, например, антибактериальные средства сульфаниламиды, схожие по структуре с п-аминобензойной кислотой, компонентом фолиевой кислоты. При лечении сульфаниламидами в бактериальной клетке конкурентно нарушается использование п-аминобензойной кислоты для синтеза фолиевой кислоты, что и вызывает лечебный эффект.

Сходство строения сульфаниламидов 
и парааминобензойной кислоты, компонента витамина В9

 

 

 

График Лайнвивер-Бэрка. Конкурентное ингибирование (в присутствии

конкурентного ингибитора Vmax остаётся неизменной).

 

Неконкурентное ингибирование

Данный вид ингибирования связан с присоединением ингибитора не в активном центре, а в другом месте молекулы. Это может быть аллостерическое ингибирование, когда активность фермента снижается естественными модуляторами, или связывание с ферментом каких-либо токсинов. Как правило этот вид, а также смешанный вид ингибировния присущи ферментам имеющим два и более субстратов.

Например, синильная кислота (цианиды) связывается с гемовым железом ферментов дыхательной цепи и блокирует клеточное дыхание.

График Лайнвивер-Бэрка. Неконкурентное ингибирование (в присутствии неконкурентного ингибитора Vmax изменяется).

 

Смешанный тип ингибирования.

При данном виде ингибирования ингибитор присоеденяется к ферменту не только как аллостерический регулятор, но может связываться с фермент-субстратным комплексом [ES]

 

График Лайнвивер-Бэрка. Смешанный тип ингибирования (в присутствии ингибитора изменяется и Vmax и Km).

9. Различие  ферментного состава органов  и тканей.

Состав энзимов различных клеток тканей неодинаков – это обусловлено различием функций, выполняемых этими тканями. Естественно - ферменты, выполняющие функцию жизнеобеспечения клетки присутствуют во всех клетках организма. В процессе дифференцировки клеток их ферментный набор претерпевает изменения. Например, фермент аргиназа, участвующий в синтезе мочевины, находится только в клетках печени, а кислая фосфатаза – в клетках простаты. Это органоспецифические ферменты. Стоит также вспомнить органоспецифичность изоферментов лактатдегидрогеназы и креатинкиназы.

В некоторых специализированных клетках присутствует высокий уровень ферментов по сравнению с другими клетками. Например, в кардиомиоцитах высокий уровень креатинкиназы (MB изоформа) и аспартатаминотрансферазы (АсАТ), в гепатоцитах – аланинаминотрансферазы (АлАТ) и аспартатаминотрансферазы, в остеобластах – щелочной фосфатазы.

 

10. Изменение активности ферментов при патологии. Энзимопатии.

В основе большинства заболеваний и патологических состояний лежит нарушение функционирования ферментов в клетке – энзимопатии (энзимопатологии). Различают первичные (наследственные) и вторичные (преобретённые) энзимопатии. Первичные энзимопатии обычно относят к метаболическим болезням.

При наследственной энзимопатии возможны следующие сценарии:

• нарушение образования конечного продукта. Например, а) при альбинизме имеет место недостаточность фермента тирозингидроксилазы (тирозиназы), что нарушает синтез меланина. Наблюдается слабая пигментация кожи, волос, красноватый цвет радужки. б) недостаток катехоламинов при паркинсонизме.

• накопление субстратов предшественников. Имеет место при алкаптонурии – нарушении активности фермента окисления гомогентизиновой кислоты  – диоксигеназы гомогентизиновой кислоты. Гомогентизиновая кислота – промежуточный метаболит катаболизма тирозина. При этом заболевании её уровень растёт и увеличивается выделение с мочой. В присутствии кислорода воздуха гомогентизиновая кислота превращается в соединение чёрного цвета – алкаптон.  Фенилкетонурия, связана с дефектом фенилаланин-4-монооксигеназы, которая превращает фенилаланин в тирозин. В результате накапливаются аномальные метаболиты фенилаланина, оказывающие сильный токсический эффект. Заболевание подагра связано с дефектом ферментов метаболизма пуриновых оснований и накоплением мочевой кислоты.свободного билирубина при желтухах новорожденных, некоторых жиров при болезнях лизосомального накопления (липидозы). Кроме указанных, распространенными первичными энзимопатиями являются галактоземия, недостаточность лактазы и сахаразы.

• Нарушение образования конечных продуктов и накопление субстратов предшественников. Например, при гликогенозах, сопровождающихся гипогликемией при избытке гликогена в печени. В частности – при болезни Гирке (гликогеноз Iа типа) наблюдается гипогликемия (снижение уровня глюкозы в крови) в перерывах между приёмами пищи. Это связано с нарушением распада гликогена в печени вследствии нарушения фермента глюкозо-6-фосфат фосфатазы и накоплением гликогена в клетках печени (гепатомегалия).

Вторичные (приобретенные) энзимопатии возникают как следствие заболеваний органов, вирусных инфекций и т.п., что приводит к нарушению синтеза фермента или условий его работы, например, гипераммониемия при заболеваниях печени, при которых ухудшается синтез мочевины и в крови накапливается аммиак. Другим примером может служить недостаточность ферментов желудочно-кишечного тракта при заболеваниях желудка, поджелудочной железы или желчного пузыря.

Недостаток витаминов и их коферментных форм также является причиной приобретенных ферментопатий.

 

11. Применение  ферментов в медицине.

Использование ферментов в медицине происходит по четырем направлениям:

• энзимодиагностика,
• энзимотерапия,
• использование ферментов в медицинских технологиях и промышленности.
• применение ингибиторов ферментов

Энзимодиагностика

Энзимодиагностика – это исследование активности ферментов плазмы крови, мочи, слюны с целью диагностики тех или иных заболеваний. Примером может служить фермент лактатдегидрогеназа, определение его активности в плазме крови необходимо при заболеваниях сердца, печени, скелетной мускулатуры. Особенно важно наличие в крови её изоформ, которые помогают определять локализацию патологического процесса Это же относится и к определению активности и изоферментов креатинкиназы. Увеличение активности α-амилазы в плазме крови и моче наблюдается при воспалительных процессах в поджелудочной и слюнных железах.

 

Электрофореграмма (денситограмма) содержания

изоферментов ЛДГ в сыворотке крови.

С другой стороны, заболевания тех или иных органов всегда сопровождаются специфичным "ферментативным профилем". Например, инфаркт миокарда сопровождается увеличением активности лактатдегидрогеназы (ЛДГ1, ЛДГ2), креатинкиназы (КК-2), аспартатаминотрансферазы.

 

Изменение активности ферментов в плазме крови

при инфаркте миокарда.

 

Энзимотерапия

Энзимотерапия – это использование ферментов в качестве лекарственных средств.

Самыми распространенными ферментативными препаратами являются комплексы ферментов желудочно-кишечного тракта (Фестал, Панзинорм форте, Мезим форте, Энзистал и т.п.), содержащие пепсин, трипсин, амилазу и т.п., и используемые для заместительной терапии при нарушениях переваривания веществ в желудочно-кишечном тракте.

Ферментные препараты широко применяются при тромбозах и тромбэмболиях. С этой целью используют препараты фибринолизина, стрептолиазы, стрептодеказы, урокиназы.

Тканевой фермент гиалуронидаза нужна организму для обратимого изменения проницаемости межклеточного вещества, в основе которого находится гиалуроновая кислота. Лекарственную форму гиалуронидазы – лидазу – вводят для размягчения рубцов, появления подвижности в суставах, рассасывания гематом.

Цитохром С – белок, участвующий в процессах тканевого дыхания. Его применяют при асфиксии новорожденных, астматических состояниях, сердечной недостаточности, различных видах гепатита и т.п.

Рибонуклеаза и дезоксирибонуклеаза входят в состав глазных капель для лечения вирусных конъюнктивитов. При нанесении на рану они разжижают гной, при ингаляциях уменьшают вязкость слизи, деполимеризуя нуклеиновые кислоты в мокроте.

Протеолитические ферменты трипсин, химотрипсин применяют при местной обработки гнойных ран, ингалируют при бронхолегочных заболеваниях для разжижения густой и вязкой мокроты.

Коллагеназу применяют для ускорения отторжения некротизированных тканей, для очистки трофических язв.

Использование ферментов в медицинских технологиях

Специфичность ферментов к определенным субстратам широко нашла применение в настоящее время в лабораторной диагностике.

• многие лабораторные методы основаны на взаимодействии добавляемого извне фермента с определяемым соединением. В результате возникает специфичный продукт реакции, после определения содержания последнего судят о концентрации искомого вещества (глюкозооксидазный, холестеролоксидазный методы),
• иммуноферментные методы, основанные на образовании тройного комплекса фермент-антиген-антитело. Определяемое вещество не является субстратом фермента, но является антигеном. Фермент может присоединять этот антиген вблизи от активного центра. Если в среде есть антиген, то при добавлении антител и формировании тройного комплекса активность фермента изменяется. Активность фермента измеряют любым способом.

Использование ингибиторов ферментов

Притивовоспалительные нестероидные препараты аспирин и ибупрофен осуществляют своё фармакологическое действие за счёт ингибирования фермента циклооксигеназы, катализирующего реакции образования простаноидов (простагландинов, простациклинов и тромбоксанов) из арахидоновой кислоты.

Весьма широко применяются в настоящее время ингибиторы протеаз (контрикал, гордокс) при панкреатитах – состояниях, когда происходит активирование пищеварительных ферментов в протоках и клетках поджелудочной железы.

Ингибиторы холинэстеразы (физостигмин, прозерин) приводят к накоплению нейромедиатора ацетилхолина в синапсах и показаны при миастении, двигательных и чувствительных нарушениях при невритах, радикулитах, психогенной импотенции.