7. Класифікація

В основу класифікації покладений тип ферментативної реакції. Ділять на 6 класів.

1. Оксидоредуктази. Каталізують окисновідповідні реакції (ЛДГ, ксинтино-оксидаза, що каталізує синтез сечової кислоти).

2. Трансферази. Ферменти здійснюють міжмолекулярний перенос різних функціональних груп (метилтрансферази транспортують метильні групи, амінотрансферази приймають участь у переносі аміногруп, гексокінази переносять фосфорну кислоту з АТФ на глюкозу).

3. Гідролази. Гідролізують різні сполуки шляхом розриву внутрішньо молекулярних зв'язків (пепсин, трипсин, амілаза, сахараза). При цьому відбувається розпад ефірних зв’язків.

4. Ліази. Розщеплюють негідролічним шляхом сполуки з подвійними зв'язками. До них відносяться декарбоксилази, ферменти що каталізують відщеплення СО₂ (лізиндекорбоксилаза) знаходиться в товстому відділі кишечнику і каталізує перетворення лізину з утворення кадаверіну. Декарбоксилази, також катілізують утворення з амінокислот біогенних амінів типу тир аміну, гістаміну.

5. Ізомерази. Каталізують взаємне перетворення субстратів. Глюкозо-6- фосфатізомераза забеспечує пряму і зворотну реакції між фруктозо-6- фосфатом і глюкозо-6-фосфатом.

6. Лігази. Каталізують синтез органічних речовин з двох молекул з використанням енергії АТФ.

В прийнятій класифікації передбачають чотирьох значний код. Перша цифра - номер одного з головних класів, друга - підклас, що характеризує основні субстрати, третя - номер підкласу, який деталізує хімічні групіровки субстрату, четверта цифра являється порядковим номером ферменту, що відноситься до відповідного під-підкласу.

8. Локалізація ферментів

Ферменти локалізуються в органоїдах клітини, де проявляється їх діяльність. Виключення складають ферменти ШКТ, які виділяються у просвіт ШКТ в момент травлення і ферменти системи зсідання крові, що функціонують в кровоносних судинах.

В ядрі клітини знаходяться головним чином ті ферменти, які каналізують обмін нуклеїнових кислот: ДНК-полімерази, ДНК-лігази, РНК-полімерази.

Закономірний розподіл ферментів у різних органоїдах цитоплазми. Наприклад, ферменти тканинного дихання розташовані переважно в мембранах мітохондрій. Каталізатори біосинтезу білку знаходяться переважно в мембранах рибосом, а також в мітохондріях. Ферменти, що каналізують гідролітичне розщеплення органічних речовин (протеїнази, нуклеази, естерази) розташовані головним чином в лізосомах.

Фіксація ферментів в органоїдах клітини сприяє інтенсифікації і впорядкованості біохімічних процесів завдяки направленому контакту між собою, а не випад кованому зштовхуванню.

Клітинна організація ферментів також сприяє надходженню різних речовин в клітини і виведенню продуктів обміну, що є важливою умовою взаємодії біохімічних процесів і їх великої швидкості.

При зміні умов існування організму в процесі адаптації і особливо при патологічних процесах може порушуватися унікальна будова клітини і субклітинних структур, що пояснює відхилення в розподілі і функціях окремих ферментів, а також цілих ферментних систем. Наприклад, при дії іонізуючого випромінювання порушується унікальна структура мембран мітохондрій і в зв’язку з цим послаблюється фіксація на них таких ферментів, як піруватдегідрогеназа і α-кетоглуторатдегідрогеназа, що каналізують процеси декарбоксилування. В таких умовах порушується синтез АТФ, що приводить до стану енергетичного голоду в організмі. Також при променевих враженнях клітини підвищується проникливість лізосом і відбувається їх руйнування, що приводить до переходу в цитозоль гідролітичних ферментів, що підсилюють розщеплення білків нуклеїнових кислот і інших сполук.

Під впливом мікроорганізмів, продуктів їх обміну та обломків клітин також може відбуватися руйнування мембран лізосом. Ці фактори не тільки вивільнюють ферменти з лізосом, а й грають роль індукторів їх біосинтезу. Отже ферменти лізосом не тільки виконують захисну функцію, а і являються важливим механізмом очищення клітин від різних продуктів обміну і деструктивних частинок, а також сприяють самовідновленню клітин.

9. Значення ферментів для медицини

Життєдіяльність любого організму забезпечується постійним і строго послідовним протіканням багатьох тисяч хімічних реакцій, що каталізують ферментами. Ось чому в основі любих порушень функцій організму лежать розлади діяльності ферментів. Механізми виникнення подібних відхилень, роль ферментів у розвитку захворювань, діагностиці і лікуванні – всі ці питання входять в самостійний розділ фітохімії – медичну ферментологію.

Ферментопатії - захворювання, пов'язані з порушенням діяльності ферментів. В залежності від причин, що викликають ці порушення, виділяють декілька видів ферментопатій. По перше, це спадкові ферментопатії, причина яких - порушення синтезу ферментів. Причини цього знаходяться в порушенні генетичного апарату клітин. Виявлено 1500 спадкових ензимопатій, для 100 з них виявлена причина. До них відносяться, наприклад, фенілвиноградна олігофренія, в основі якої лежить порушення синтезу ферменту, що перетворює фенілалинін в тирозин. При цьому в організмі йде накопичення фенілаланіну, який розпадається з утворенням токсичних продуктів, що порушують обмін речовин в організмі, особливо у мозку. У дитини розвивається психічна неповноцінність. Причинами інших ензимопатїй може бути недостатність забезпечення організму незамінними факторами харчування, наприклад, вітамінами, що являються основними частинами ферментів (аліментарні ензимопатії). При дії токсинів, що гальмують діяльність ферментів виникають токсичні ензимопатії.

Велика роль ферментів у діагностиці захворювань. Використання їх з цією метою пов'язана з тим, що ферменти виробляються в клітинах різних органів і тканин і при їх руйнуванні, як в звичайних умовах, так і при патології, поступають у кров, сечу, які використовуються для визначення активності ферментів.

Можливість використання ферментів з діагностичною метою основана на слідуючій характеристиці. Кожний орган має характерний набір ферментів і поява їх у крові дозволяє локалізувати патологію. Так, для серцевого м'яза серед великої групи ферментів найбільш специфічними являються КК (креатинкіназа), АСТ (аспартатамінотрансфераза), ЛДГ (лактатдегідрагеназа). В печінці локалізується АЛТ (аланінамінотрансфераза), ЛДГ, ЩФ (лужна фосфатаза), АСТ. В скелетних м’язах ЛДГ, КК і в меншій мірі АСТ, в нирках, ЛДГ, ЩФ і в значно менше АСТ. В підшлунковій залозі висока активність α-амілази. Крім того різна локалізація ізоферментів в органах і тканинах. Наприклад, ЛДГ-1 переважно локалізується в серці, а ЛДГ-4,5 в печінці. Деякі ферменти виробляється в різних тканинах, тому треба враховувати їх активність і кількісне співвідношення. Так, в серці відмічено більше висока активність АСТ порівняно з АЛТ, в печінці відмічено зворотне співвідношення. У зв’язку з цим для даних ферментів введений, так названий, коефіцієнт де Рітіса – відношення АСТ/АЛТ, яке в серці здорової людини дорівнює 1,33.

Другою причиною, що дозволяє використовувати ферменти в діагностиці являється те, що в організмі здорової людини підтримується стан динамічної рівноваги між процесами катаболізму та анаболізму. Тому вміст в крові ферментів є величиною відносно постійною, а підвищення або зниження активності ферментів свідчить про патологічний процес. Так при інфаркті відмічено суттєве підвищення активності КК, АСТ, АЛТ, ЛДГ, для панкреатиту характерно підвищення α-амілази, для захворювань печінки, перш за все підвищення АЛТ, при злоякісних пухлинах кісток відмічено підвищення активності лужної фосфатази.

Вихід ферментів в кров відбувається не тільки при руйнуванні клітин, а й при підвищені проникливості клітинних мембран. Останнє, як правило, відмічається на самому початку розвитку патологічного процесу, часто до розвитку клінічної картини захворювання.

Цей факт ще більше підвищує значимість ферментативної діагностики. Так КК і АСТ підвищується через 4-6 годин після інфаркту міокарду, активність α-амілаза через 3 години після початку гострого панкреатиту.

Відмічена пряма залежність між активністю ферментів і кількістю зруйнованих клітин. Чим вища активність ферменту, тим більша зона зруйнованої тканини, а зниження активності свідчить про локалізацію некротичного процесу.

Так, при гострому гепатиті, що характеризується дифузним характером запального процесу, активність АЛТ зростає в 50-100 разів порівняно з нормою і підтримується на цьому рівні на протязі 2-3 тижнів.

При інфаркті міокарду, що представляє собою враження невеликої ділянки серцевого м'яза, активність КК і АСТ в крові досягає максимуму на 3-5 добу, після чого знижується.

Визначення активності ферментів використовується для диферентціальної діагностики. Визначення активності АЛТ і АSТ і їх співвідношення дозволяє провести диференціальну діагностику інфаркту міокарду і захворювань печінки. В нормі співвідношення АЛТ/АСТ = 1,33 – коефіцієнт де Рітіса. При інфаркті міокарда цей коефіцієнти більше норми, тоді як гепатити характеризуються його зниженням. При паренхіматозних жовтяницях різко зростає активність АЛТ, АСТ, ЩФ, чого не спостерігається при паренхіматозній жовтяниці.

Таким чином, ферменти надають суттєву допомогу в питаннях діагностики, допомагають контролювати лікування хвороби і процес реабілітації. При деяких захворюваннях (спадкові хвороби) ферменти являються основним діагностичним тестом. Так, недостатність фенілаланінгідроксилази завжди свідчить про розвиток фенілпіровиноградної олігофренії.

10. Особливості використання ферментів як лікарських препаратів

Пепсин, ліпази, амілази, панкреатин – знайшли широке використання при недостатній секреторній функції шлунково-кишкового тракту (замісна терапія). Трипсин використовується для очищення гнійних ран і внутрішньом’язово як протизапальний засіб при остеомієлітах і гайморитах. Фібринолізин використовується як фібринолітичний засіб. Для активації діяльності відповідних ферментів використовуються в клініці коферменти. Знання основ ферментології дозволяє створювати ферментативні препарати ціленаправленої дії. Так, сульфаніламідні препарати дають позитивний ефект при коковій інфекції. В основі їх дії лежить конкурентне гальмування ферментативної реакції, так як вони є структурними аналогами субстратів, необхідних для життєдіяльності кокових мікроорганізмів. Нікотинова кислота необхідна для життєдіяльності туберкульозних бацил, а її структурний аналог гідразид ізонікотинової кислоти (фтивазид) являється ефективним засобом для лікування туберкульозу.

Все вищесказане підтверджує важливість і необхідність вивчення ферментів з метою використання їх в медичній практиці.

Специфіка методів дослідження ферментів

Зумовлена перш за все низькою концентрацією ферментів в тканинах. Звичайними методами кількісного аналізу, доступними в лабораторній діагностиці, цю концентрацію визначити неможливо. Тому про концентрацію ферменту судять пропорційно кількості перетвореного субстрату, або по кількості продукту реакції. Тому в біоматеріалі визначається їх активність. Як приклад визначення можна розглянути визначення активності α-амілази. Про активність α-амілази судять по кількості розщепленого крохмалю, що є субстратом для даного ферменту. Ступінь розщеплення крохмалю визначається йодометрично по зниженню зафарбованості розчину.

Одиниці активності ферменту

Активність ферменту визначають за кількістю розщепленого ним субстрату в перерахунку на 1л сироватки крові за одиницю часу. За міжнародну одиницю прийнята така кількість ферменту, яка в оптимальних умовах каталізує перетворення 1 мкмоль субстрату за 1 хвилину (Е= мкмоль/хв). В перерахунку на 1л біологічного матеріалу цю величину можна передавати наступним чином:

Е/л = мкмоль/л • хв.

В міжнародній системі одиниць СИ за одиницю активності ферменту прийнято КАТАЛ, що відповідає кількості ферменту, який перетворює 1 моль субстрату за 1 секунду ( кат=моль/сек). В перерахунку на 1л біоматеріалу:

катал=моль/сек • л.

Контрольні питання до теми

1. Що таке ферменти?

2. Яка хімічна природа ферментів?

3. Дайте визначення поняттям „енергія активації”, „енергетичний бар’єр реакції”.

4. Які відмінності мають ферменти від неорганічних каталізаторів?

5. Які основні властивості мають ферменти у порівнянні з білками?

6. Які властивості характерні тільки для ферментів?

7. Які речовини виконують коферментну функцію у складі ферментів?

8. Порівняйте каталітичну активність проферменту і ферменту.

9. Які фактори впливають на швидкість ферментативної реакції?

10. Дайте визначення поняттям „оптимум температури”, „оптимум рН”, „активатори”, „інгібітори ферментів”.

11. Як використовуються ферменти в медицині для діагностики захворювань?

12. Які захворювання відносяться до ензимопатій? Наведіть приклади.