11. Номенклатура и классификация ферментов

Ферментология очень долго не располагала строго научной номенклатурой ферментов. Наименования ферментам давали по случайным признакам (тривиальная номенклатура), по названию субстрата (рациональная), по химическому составу фермента, наконец, по типу катализируемой реакции и характеру субстрата.

Примерами тривиальной номенклатуры могут служить названия таких ферментов, как пепсин (от греч. пепсис - пищеварение), трипсин (от греч. трипсис - разжижаю) и папаин (от названия дынного дерева Carica papaja, из сока которого он выделен).

Согласно современной номенклатуре название ферментов составляют из химического названия субстрата и названия той реакции, которая осуществляется ферментом. Если химическая реакция, ускоряемая ферментом, сопровождается переносом группировки атомов от субстрата к акцептору, название фермента включает также химическое наименование акцептора. Все ферменты имеют окончание «аза», прибавленное к названию субстрата.

Например, пируват - декарбоксил - аза, сукцинат - дегидроген - аза

Классификация ферментов.

В принятой классификации ферменты объединены в группы по типу важнейших биохимических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности любого организма. По этому принципу все ферменты делят на 6 классов.

1. Оксидоредуктазы - ускоряют реакции окисления - восстановления.

2. Трансферазы - ускоряют реакции переноса функциональных групп и молекулярных остатков.

3. Гидролазы - ускоряют реакции гидролитического распада.

4. Лиазы - ускоряют негидролитическое отщепление от субстратов определенных групп атомов с образованием двойной связи (или присоединяют группы атомов по двойной связи).

5. Изомеразы - ускоряют пространственные или структурные перестройки в пределах одной молекулы.

6. Лигазы - ускоряют реакции синтеза, сопряженные с распадом богатых энергией связей.

7. Эти классы и положены в основу новой научной классификации ферментов.

Каждому ферменту присваивается индивидуальный номер (шифр). Например, шифр уреазы выражается цифрами 3.5.1.5. Это означает, что уреаза относится к 3-му классу (первая цифра) ферментов, все представители которого катализируют реакции гидролиза. Вторая цифра (5) говорит о том, что уреаза принадлежит к 5-му подклассу этого класса, куда зачислены все ферменты, ускоряющие гидролиз С - N-связей, не являющихся пептидными. Третья цифра шифра (1) указывает на принадлежность уреазы к подподклассу 5-го подкласса, члены которого ускоряют гидролиз линейных амидов, а последняя цифра (5) - порядковый номер уреазы в этом подподклассе.

Таким образом, шифр абсолютно точно указывает место фермента в общем списке. В настоящее время принято в научных публикациях при первом упоминании фермента указывать в скобках его шифр.

12. Единицы ферментативной активности

За единицу ферментативной активности (Е) принимают количество фермента, катализирующего превращение 1 микромоля субстрата за 1 мин:

, (1)

где М – количество превращенного субстрата, мкмоль;

t – время инкубации, мин.

В связи с введением Международной системы единиц (СИ) предложено выражать активность фермента в каталах (кат, kаt): Е_кат есть каталитическая активность, способная осуществлять реакцию со скоростью, равной 1 молю в 1 с. (1 моль/с). Отношение международной единицы (Е) к каталу можно выразить следующим образом: 1 кат = 1 смоль^–1 = 60 моль мин^–1 10= 60⁶ мин–1мкмоль 10= 6^–7 минЕ, или 1Е = 1 мкмоль^–1 = (1/60) мкмоль е^–1 = (1/60) мккат =16,67 нкат. Таким образом, 1Е фермента соответствует 16,67 нкат.

Для выражения активности в практической работе с ферментами пользуются понятиями удельной и молярной активности.

Удельную активность фермента определяют путем деления числа единиц ферментативной активности на массу белка (или ткани), г или мг.

, (2)

где Е – число единиц ферментативной активности;

m – масса белка (ткани), г или мг

Молярную активность фермента определяют путем деления числа единиц ферментативной активности в образце на массу фермента, выраженную в микромолях (для очищенных ферментов):

, (3)

где Е – число единиц ферментативной активности;

m – масса фермента, мкмоль.

13. Изоферменты. Часть ферментов состоят не из одной белковой цепочки, а из нескольких субъединиц. Изоферменты – это семейство ферментов, которые катализируют одну и ту же реакцию, но отличаются по строению и физико-химическим свойствам. 

Например: лактатдегидрогеназа (ЛДГ) состоит их 4 субъединиц 2хтипов: субъединица Н, выделенная из сер дечной мышцы (heart – сердце), субъединица М, выделенная из скелетных мышц (musculus – мышца). Эти субъединицы кодируются разными генами. В разных органах имеются различные формы ЛДГ с различным набором субъединиц. Известно 5 изоферментов ЛДГ: ЛДГ1: ЛДГ2: ЛДГ3: ЛДГ4: ЛДГ5: (Н4) (Н3М) (Н2М2) (НМ3) (М4) ЛДГ1 экспрессируется в сердечной мышце и мозге, а ЛДГ5 – в скелетных мышцах и печени. Остальные формы в других органах. Появление ЛДГ в крови свидетельствует о повреждении органов (фермент из разрушенных клеток поступает в кровь – гиперферментемия) Повышение активности фракции ЛДГ1 в крови наблюдается при повреждении сердечной мышцы (инфаркт миокарда), а повышение активности ЛДГ5 в крови наблюдается при гепатитах и повреждении скелетных мышц. То есть благодаря изоферментам можно определить локализацию поврежденного органа. Наиболее чувствительным тестом на инфаркт миокарда является повышение в крови сердечного изофермента креатинкиназы.

Креатинфосфокиназа(КФК) — фермент, участвующий в реакциях энергообразования и содержащийся в наибольшем количестве в сердечной и скелетной мускулатуре. Чаще всего анализ активности этого фермента проводят при инфаркте миокарда, так как он очень чувствителен и специфичен.

Нормальная активность в сыворотке крови — до 100 нМ/с • л

или до 6 МЕ.

Повышение активности отмечается при различных повреждениях сердечной и скелетной мускулатуры — инфаркте миокарда, миокардите, аритмии сердца, прогрессирующей мышечной дистрофии, а также при нарушении мозгового кровообращения, интенсивной нагрузке, приеме алкоголя и некоторых лекарств.

Практически все ферменты имеют молекулярные разновидности — изоферменты. У каждого фермента имеется их определенное количество—от 2-х до 10. Определение изоферментов — достаточно сложный анализ, который проводится не во всех лабораториях, однако он значительно более информативен, чем общая активность.

У КФК имеется 3 изоформы. В норме они имеют соотношение

I(ВВ) — 0 —следы,

II (МВ) — 4-6%,

III (ММ) — 94-96%.

Увеличение II (МВ) изоформы происходит в течение первых суток после инфаркта миокарда и 100% подтверждает этот диагноз, однако уже через 2-3 суток происходит нормализация активности фермента, и спустя 2-3 дня после развития инфаркта такой анализ уже не назначается.

Лактатдегидрогенеза (ЛДГ) — фермент, участвующий в одном из конечных этапов превращения глюкозы с образованием молочной кислоты. Находится во всех органах и тканях, поэтому диагностическое значение имеет определение изоферментов ЛДГ, так как отдельные изоформы характеризуют преимущественно определенные органы.

Нормальный изоферментный спектр сыворотки крови:

ЛДГ1 — 30-36%,

ЛДГ2 — 40-50%,

ЛДГ3 — 14-20%,

ЛДГ4 — 0-4%,

ЛДГ5 — 0-2%, '

ЛДГ2/ЛДГ1 - 1,2-1,5.

Определение изоферментного спектра ЛДГ чаще всего назначается при патологии печени и сердца, реже — легких. Так, при инфаркте миокарда в течение первых 2-3 суток активность ЛДГ, значительно возрастает и соотношение ЛДГ2/ЛДГ1, становится равным 0,6-0,8. Нормализация происходит спустя 2-3 недели после инфаркта миокарда и зависит от объема поражения — чем обширнее был инфаркт, тем дольше сохраняются изменения в изоферментном спектре ЛДГ. При других заболеваниях сердца этот показатель, как правило, не меняется.

При заболеваниях печени, сопровождающихся повреждением клеток (гепатиты, токсические воздействия, метастазы в печень) отмечается увеличение активности фракций ЛДГ4 и ЛДГ5.

Щелочная фосфатаза (ЩФ) — фермент, аналогичный по функции кислой фосфатазе, но проявляющий максимальную активность в щелочной среде. Содержится в большом количестве в стенках желчных протоков печени, костях, слизистой оболочке кишечника, плаценте, почках. Анализ назначается при патологии именно этих органов и тканей.

Нормальная активность в сыворотке крови — 32-92 ЕД/л или

278-890нМ/с-л,

Анализ активности ЩФ информативен при нарушениях оттока желчи из печени, которые вызывают камни или опухоли различной локализации. В этих случаях, а также при первичном билиарном циррозе активность ЩФ существенно возрастает. Определение активности ЩФ при заболеваниях печени в совокупности с другими анализами (АсАТ, АлАТ, билирубин, у-ГТФ) позволяет более точно судить о локализации и характере патологического процесса.

Повышение активности ЩФ является характерным признаком первичного рака почки, отмечается в первую неделю инфекционного мононуклеоза, характерно для различных поражений костей — остеодистрофия, деформирующий остит, злокачественные новообразования костей и метастазы в кости.

Снижение активности ЩФ возникает, как правило, при уменышении содержания фосфора, накоплении радиоактивных продуктов в костях, выраженной анемии, гипотиреозе.