2. Субстрат - аллостерический активатор своего фермента.

Кинетическая кривая имеет S-образный характер, то есть имеет 2 перегиба, как кривая диссоциации оксигемоглобина. В этом случае концентрация субстрата удерживается более эффективно на постоянном уровне и в более узком диапазоне, чем в предыдущем случае.

3. Продукт реакции - аллостерический активатор своего фермента.

Кинетическая кривая имеет лавинообразный (взрывообразный) характер. С увеличением концентрации субстрата скорость реакции, как обычно, возрастает. Это приводит к накоплению продукта, который активирует свой фермент. Это приводит к накоплению продукта, который активирует фермент, в результате продукт накапливается еще быстрее, а фермент активируется еще сильнее. Скорость реакции становится очень большой, и реакция протекает мгновенно до полного расщепления субстрата. Примеры: реакция образования фибрина из фибриногена; система иммунохимической защиты организма.

4. Один субстрат - два фермента и два продукта.

В общем случае кинетические кривые этих двух реакций не совпадают.

При малых концентрациях субстрата "А" будет преимущественно протекать 1-я реакция, то есть наибольшая часть вещества "А" будет превращаться в "В", а меньшая часть - превращаться в "С". При увеличении концентрации "А" все больше субстрата станет превращаться в "С" по второму пути. При некоторой концентрации "А" (в точке пересечения кривых) скорости обеих реакций сравняются. В этой точке половина вещества "А" будет превращаться в "В", а вторая половина - в "С". Если концентрацию "А" повышать дальше, то начнет преобладать второй путь превращений - в вещество "С". Такой механизм регуляции встречается, когда опасно накопление в клетке не только избытка вещества "В", но и избытка субстрата "А". И поэтому клетка при высоких концентрациях "А" направляет его на образование безопасного продукта С. Путь из "А" в "С" - это резервный путь метаболизма (альтернативный путь). Если на такой механизм накладываются аллостерические механизмы регуляции, то они могут стать более точными. Например, если продукт "В" - аллостерический ингибитор своего фермента Е₁ или аллостерический активатор фермента Е₂, то переключение на резервный (альтернативный) путь будет происходить более четко.

5. Один субстрат, два фермента и один продукт

Одна и та же химическая реакция в организме может катализироваться разными белками-ферментами. В таком случае они называются изоферментами - это разные молекулярные формы одного и того же фермента. Они могут отличаться обычно очень незначительно. Например, в молекуле один или несколько аминокислотных остатков могут быть заменены другими. Но этого достаточно, чтобы возникли различия в значениях ИЭТ, оптимальном значении рН для действия фермента (рН-оптимум), и в субстратной специфичности, и в величинах V_max и K_m. Называют такие ферменты, как правило, одинаково, но добавляют к названию номер или иное дополнение (для идентификации). И в этом случае, если определять кинетику ферментативных реакций изоферментов, то кривые будут отличаться друг от друга. Если ферменты находятся в клетках разного типа, то изоферменты будут определять специфику метаболизма своих клеток.

Но если изоферменты находятся в одной клетке, то их кинетические кривые будут сливаться в одну общую кривую, которая имеет двухступенчатую форму. Такая система регуляции работает при разных концентрациях субстрата, которые изменяются в очень широких пределах. Наличие двух изоферментов позволяет успешно превращать субстрат и при малых, и при больших концентрациях субстрата. Характер суммарной кинетической кривой приведен на рисунке.

Конкретным примером такого типа регуляции служит пара ферментов - гексокиназа и глюкокиназа в печени. К_м гексокиназы составляет около 0,02 ммоль/л. В клетках печени кроме гексокиназы есть глюкокиназа, имеющая К_м=20 ммоль/л.

В норме концентрация глюкозы в крови колеблется в пределах от 3,9 до 6,1 ммоль/л. Так как К_м гексокиназы в 100 раз меньше, чем реальная концентрация глюкозы в клетке, то гексокиназа всегда работает со скоростью, близкой к V_max. Благодаря высокому сродству к своему субстрату - глюкозе именно гексокиназа обеспечивает связывание глюкозы в печени в период голодания. На высоте пищеварения, когда концентрация глюкозы в системе воротной вены может составлять десятки ммоль/л, гексокиназа уже не справляется с превращением такого большого количества глюкозы. Наибольшая часть ее превращается глюкокиназой - мощным ферментом, Км которого достигает 20 ммоль/л. Поэтому глюкоза эффективно связывается клетками печени и в период голодания (за счет работы гексокиназы), и на высоте пищеварения (с помощью глюкокиназы). Благодаря такому механизму уровень глюкозы в крови, оттекающей от печени, поддерживается на нужном уровне при любых колебаниях ее концентрации в системе воротной вены.

НЕРАЗВЕТВЛЕННЫЕ МУЛЬТИФЕРМЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ

В большинстве случаев тот или иной биохимический процесс катализируется не одним ферментом, а целой совокупностью ферментов, каждый из которых катализирует свой этап в длинной последовательности отдельных реакций этого процесса.

Совокупность ферментов, катализирующих последовательные реакции единого процесса, называется мультиферментной системой.

E₁ E₂ E₃ E₄ E_n

А---->В----->C----->D------>....L----->M

1. В такой системе концентрация любого промежуточного метаболита от "В" и до "L" будет поддерживаться постоянной даже в условиях значительных колебаний скорости всего процесса в целом. Концентрация любого метаболита зависит только от соотношения кинетических констант 2-х ферментов - того, который ведет к образованию этого метаболита, и того, который подвергает его следующему превращению. Например, концентрация вещества "С" зависит от кинетических констант ферментов Е_» и Е₃. Оба этих фермента, как и вся цепь, могут ускорять свою работу, но концентрация "С" будет оставаться неизменной. Эти механизмы регуляции мультиферментных систем поддерживают постоянство состава внутренней среды организма.

2. В большинстве случаев величины V_max у всех ферментов данной системы различны. Значит, у какого-то из ферментов V_max меньше V_max любого другого фермента. Такой фермент (с низкой V_max) называется ЛИМИТИРУЮЩИМ ферментом данной мультиферментной системы. Именно этот фермент определяет скорость процесса в целом.

Как правило, лимитирующими являются те ферменты, которые находятся в начале данной мультиферментной системы. Как правило, эти ферменты подвергаются воздействию регуляторных воздействий со стороны аллостерических эффекторов (в рамках автономной саморегуляции). В таких мультиферментных системах аллостерическими эффекторами бывают часто не только продукт или субстрат данной реакции, но и другие метаболиты - в особенности конечные продукты (М). Если конечный продукт оказывает активирующее действие, то этот механизм называется положительной обратной связью и процесс протекает взрывообразно - до полного исчерпания субстрата в системе.

Если конечный продукт - ингибитор лимитирующего фермента - то говорят об отрицательной обратной связи, и при увеличении концентрации конечного продукта скорость процесса будет замедляться. Если лимитирующий фермент является одновременно и регуляторным, то его называют КЛЮЧЕВЫМ ферментом данной мультиферментной цепи.

РАЗВЕТВЛЕННЫЕ МУЛЬТИФЕРМЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ.

Часто мультиферментные цепи являются разветвленными. В таких системах ключевые ферменты обычно предшествуют участкам ветвления, а сразу за разветвлением находятся ПУНКТЫ ВТОРИЧНОГО КОНТРОЛЯ, то есть такие ключевые ферменты, которые регулируют скорость реакций в своей ветви:

В этом примере Е₁ - ключевой фермент, а Е₄ и Е₇ - пункты вторичного контроля.

Ферменты: общие сведения

Ферменты являются биокатализаторами, т.е. веществами биологического происхождения, ускоряющими химические реакции. Организованная последовательность процессов обмена веществ возможна при условии, что каждая клетка обеспечена собственным генетически заданным набором ферментов. Только при этом условии осуществляется согласованная последовательность реакции (метаболический путь). Ферменты принимают участие также в регуляции многих метаболических процессов, обеспечивая тем самым соответствие обмена веществ измененным условиям. Почти все ферменты являются белками. Известны также каталитически активные нуклеиновые кислоты — «рибозимы» (см. сс. 242, 248).

А. Ферментативная активность

Каталитическое действие фермента, т. е. его активность, определяют в стандартных условиях по увеличению скорости (фиолетовый цвет на схеме) каталитической реакции (оранжевый цвет) по сравнению с некаталитической (желтый цвет). Обычно скорость реакции указывают как изменение концентрации субстрата или продукта за единицу времени (моль/(л·с)) (см. с. 28). Так как каталитическая активность не зависит от объема раствора, в котором протекает реакция, активность фермента выражают в каталах; 1 кат — это количество фермента, которое превращает 1 моль субстрата за 1 с. Другой единицей активности является международная единица (E) — количество фермента, превращающего 1 мкмоль субстрата в 1 мин (1 E = 16,7 нкат).

Б. Реакционная и субстратная специфичность

Действие большинства ферментов высоко специфично. Понятие специфичности относится не только к типам каталитических реакций (реакционная специфичность), но и к природе соединений - субстратов (субстратная специфичность). В качестве примера на схеме приведены ферменты, расщепляющие химическую связь. Высокоспецифичные ферменты (тип А — верхняя строка таблицы) катализируют расщепление только одного типа связи в субстратах определенной структуры. Ферменты типа Б (средняя строка) обладают ограниченной реакционной специфичностью, но широкой субстратной специфичностью. Ферменты типа В (с низкой реакционной и низкой субстратной специфичностями; нижняя строка) встречаются редко.

В. Классы ферментов

На сегодняшний день известно примерно 2000 различных ферментов. Разработанная система классификации учитывает реакционную и субстратную специфичности ферментов. Все ферменты включены в «Каталог ферментов» под своим классификационным номером (КФ), состоящим из четырех цифр. Первая цифра указывает на принадлежность к одному из шести главных классов. Следующие две определяют подкласс и подподкласс, а последняя цифра — номер фермента в данном подподклассе. Например, лактатдегидрогеназа (см. сс. 102-105) имеет номер КФ 1.1.1.27 (класс 1, оксидоредуктазы; подкласс 1.1, донор электрона — СН-ОН; подподкласс 1.1.1, акцептор — НАДФ⁺.)

В каждом из шести главных классов объединены ферменты, обладающие одинаковой реакционной специфичностью. Оксидоредуктазы (класс 1) катализируют окислительно-восстановительные реакции. Трансферазы (класс 2) переносят ту или иную функциональную группу от одного субстрата на другой. Для оксидоредуктаз и трансфераз необходим общий кофермент (см. сс. 108 и сл.). Гидролазы (класс 3) также участвуют в переносе групп, однако акцептором здесь всегда является молекула воды. Лиазы (класс 4, называемые иногда «синтазами») катализируют расщепление или образование химических соединений, при этом образуются или исчезают двойные связи. Изомеразы (класс 5) перемещают группы в пределах молекулы без изменение общей формулы субстрата. Лигазы («синтазы», класс 6) катализируют энергозависимые реакции присоединения и поэтому их действие Сопряжено с гидролизом нуклеозидтрифосфата (чаще всего АТФ).

Как правило, кроме названия фермента принято указывать его классификационный номер. В списке ферментов, приведенном в конце книги (см. сс. 408 и сл.), все ферменты приведены с классификационными номерами.

В организме непрерывно происходит синтез, распад и перестройка углеводов. С пищей вводится большое количество углеводов, главным образом, поли- и дисахаридов. После переваривания их соответствующими гидролазами в пищеварительном тракте образуются мономеры, которые всасываются кишечником и с кровью переносятся, прежде всего, в печень. В промежутках между приемами пищи постоянная доставка углеводов органам и тканям обеспечивается мобилизацией резервных веществ, в частности гликогена, находящегося в печени и мышцах.

Различные виды сахаров в организме превращаются в глюкозу, и наоборот, для специфических функций из глюкозы могут возникнуть другие углеводы и их производные. Основным клиническим биохимическим показателем нарушений углеводного обмена является изменение концентрации в крови глюкозы. Молекулярные нарушения углеводного обмена связаны с врожденной недостаточностью ферментов. К ним относятся врожденная недостаточность лактазы, сахаразы и пр. ферментов, расщепляющих дисахариды до моносахаридов, в связи, с чем последние не могут всасываться в кровь и выводятся из организма с калом. Основным клиническим биохимическим показателем нарушений углеводного обмена является изменение концентрации в крови глюкозы.

Гипергликемия – увеличение содержания глюкозы в крови. Может носить физиологический характер в случае приема богатой углеводами пищи (алиментарная гипогликемия) или в результате одномоментной физической нагрузки: адреналин, глюкокортикостероиды и катехоламины усиливают глюконеогенез и распад гликогена. Физиологические гипергликемии носят кратковременный характер. Патологические типы гипергликемии обусловлены эндокринными расстройствами, в частности нарушением оптимального соотношения между секрецией гормонов гипер- и гипогликемического действия.

Большой клинический интерес представляет изучение реактивности организма на сахарную нагрузку у здорового и больного человека. Если у здорового человека после однократного приема 50 – 100 г. глюкозы наблюдается скоропреходящая, умеренная гипергликемия, то у лиц, страдающих заболеваниями, связанными с повышенным содержанием глюкозы в крови (например, сахарный диабет), повышение сахара в крови после сахарной нагрузки достигает больших величин и сохраняется более длительное время. Весьма часто вместо глюкозы применяют нагрузку галактозой (40 г.), так как этот сахар требуется в меньшем количестве и прием его легче переносится больными. Быстро преходящая умеренная гипергликемия указывает на нормальную функцию печени и поджелудочной железы.

Определение реактивности организма на сахарную нагрузку позволяет судить о характере патологического процесса и облегчает постановку диагноза заболевания.

Наиболее распространенная форма патологической гипергликемии – сахарный диабет, обусловленный дефицитом инсулина, при котором развивается гипергликемия, которая вызвана нарушением транспорта глюкозы в клетки.

Помимо сахарного диабета гипергликемии могут быть обусловлены расстройствами функций других эндокринных желез, участвующих в регуляции углеводного обмена (гиперфункция щитовидной железы (Базедова болезнь), гипофиза (при опухолях гипофиза и т. п.), надпочечников).

Гипогликемия – уменьшение содержания глюкозы в крови, может носить физиологический характер вслед за алиментарной гипергликемией как результат компенсаторного выброса инсулина. При гипогликемии могут возникать различные церебральные нарушения - от легкой сонливости до судорожных пароксизмов и коматозных состояний со смертельным исходом. Критический уровень сахара крови, ниже которого развиваются признаки гипогликемии и пароксизмальные нарушения сознания, определяется авторами по-разному. Ряд авторов, однако, указывают на возможность возникновения клинического синдрома гипогликемии при нормальном и даже увеличенном содержании сахара в крови. Отмечено также, что чем быстрее происходит снижение уровня сахара в крови, тем больше вероятность развития гипогликемического криза.

Клиническая гипогликемия проявляется утомляемостью при нагрузках, снижением артериального давления, бледностью кожных покровов, холодным потом, сердцебиениями, тремором рук, чувством страха. При более тяжелом течении наблюдаются двигательное беспокойство, судороги, изменение сознания от легкого оглушения до гипогликемической комы.

Обычно выделяют гипогликемию, возникающую при введении инсулина (как осложнение инсулинотерапии при сахарном диабете у детей, связанное с передозировкой инсулина) и спонтанную. Спонтанная гипогликемия может иметь органический характер (в связи с патологическим состоянием желез внутренней секреции, а также при недостаточной секреции гормонов-антагонистов) и быть функциональной. Функциональные гипогликемии обычно связаны с гипоталамическими нарушениями вегетативной иннервации либо являются так называемыми стимулятивными. Состояния гипогликемии у детей могут быть результатом наследственно обусловленного энзиматического дефекта в углеводном обмене из-за блока в инсулинактивирующей системе - при печеночных формах гликогеноза (болезни Гирке, Форбса, Херса), непереносимости фруктозы, галактозы. При непереносимости фруктозы после приема тростникового сахара или фруктов в крови повышается концентрация фруктозы, резко снижается содержание глюкозы и развивается гипогликемия с характерными для нее клиническими симптомами, включающими потливость, дрожание, судороги, нарушения сознания. При непереносимости галактозы клинические проявления возникают уже через 1-2 недели после рождения. В крови быстро увеличивается содержание галактозы и падает уровень глюкозы, что и ведет к гипогликемическим кризам. При идиопатическом семейном гипогликогенозе Мак-Карри (McQuarry) в легких случаях симптомы выявляются на 2-З-м году жизни. Возможно, что в основе этого заболевания лежит замедление распада инсулина вследствие наследственного энзиматического блока в инсулинактивирующей системе (инсулиназа).

Функциональные гипогликемии могут наблюдаться у детей с явлениями вегетативно-сосудистой дистонии. Это обычно дети легко возбудимые, эмоционально неустойчивые, астенического сложения, подверженные частым простудным заболеваниям. Гипогликемические кризы у таких детей возникают в любое время суток и наступают обычно внезапно при эмоциональном напряжении, лихорадочных состояниях. В ряде случаев у детей при гипогликемии возникают липотимии и даже обморочные состояния. При быстром, внезапном развитии гипогликемии, сочетающейся с выраженной гипоксией мозга, возможно возникновение гипогликемических обмороков.

Лечение. В каждом случае, когда заболевание протекает с гипогликемией, необходимо тщательное клиническое обследование для установления по возможности этиологии болезни. При установлении причины гипогликемии проводится лечение основного заболевания. В случаях островковой опухоли (инсулиномы) - лечение хирургическое. При лейциновой гипогликемии назначается диета с высоким содержанием углеводов и максимальным исключением из пищи продуктов, содержащих лейцин: всех молочных продуктов, яиц, рыбы, мяса, макаронных изделий, гороха, ржаного хлеба, орехов. При фруктоземии - исключение из пищи сладостей, фруктов, при галактоземии - молочного сахара.

Таким образом, этиология гипер- и гипогликемий может носить физиологический так и патологический характер, а патогенез обязательно включает как нейроэндокринные, так и молекулярные нарушения, где последние чаще всего носят наследственный характер.