Механизм действия простого и сложного ферментов одинаков, так как активные центры в их молекулах выполняют сходные функции. В основе действия ферментов лежит их способность ускорять реакции за счет уменьшения энергии активации субстрата. Ферменты деформируют электоронные оболочки субстратов, облегчая таким образом взаимодействие между ними. Энергитя, необходимая для того, чтобы привести молекулы в активное состояние, называется энергией активации. Роль обычного катализатора (и еще в большей мере биологического) состоит в том, что он снижает энергию активации субстрата. Основы механизма действия ферментов были изучены в начале XX в. В 1902 г. английский химик А.Браун высказал предположение о том, что фермент, воздействуя на субстрат, должен образовать с ним промежуточный фермент — субстратный комплекс. Одновременно и независимо от А. Брауна это же предположение высказал французский ученый В. Анри. В 1913 г. Л. Михэлис и М. Ментэн подтвердили и развили представления о механизме действия ферментов, который можно представить в виде схемы:
Е + S [E-S]' [E-S]' [Е-Р] Е + Р,
где Е — фермент, S — субстрат, Р — продукт.
На первой стадии ферментативного катализа происходит образование фермент-субстратного комплекса, где фермент и субстрат могут быть связаны ионной, ковалентной или иной связью. Образование комплекса E-S происходит практически мгновенно. На второй стадии субстрат под воздействием связанного с ним фермента видоизменяется и становится более доступным для соответствующей химической реакции. Эта стадия определяет скорость всего процесса. На этих стадиях ферментативного катализа происходят неоднократные изменения третичной структуры белка фермента, приводящие к последовательному сближениюс субстратом и ориентации в пространстве тех активных групп, которые взаимодействуют друг с другом на различных этапах преобразования субстратов. На третьей стадии происходит химическая реакция, в результате которой образуется комплекс продукта реакции с ферментом. Заключительным процессом является высвобождение продукта реакции из комплекса. В организме превращение веществ до конечных продуктов происходит в несколько этапов, каждый из которых катализируется отдельным ферментом. Сумма энергии активации промежуточных реакций ниже энергии активации, необходимой для одновременного расщепления субстрата.
РОЛЬ ФЕРМЕНТОВ В ПАТОГЕНЕЗЕ
Ферменты используют для изучения патогенеза заболеваний. Заболевания, связанные с повреждением ферментов, называют энзимопатии: наследственные(первичные) и приобретенные (вторичные). Первичные энзимопатии возникают в результате мутаций в ДНК, при которых возникает дефицит или полное отсутствие фермента. Например, дефект фенилаланингидроксилазы приводит к фенилкетонурии, дефект галактозо-1- фосфатуридилтрансферазы вызывает галактоземию, дефицит лактазы – непереносимость лактозы. Лизосомные болезни накопления (гликогенозы, липидозы) возникают при дефектах ферментов катаболизма гликогена, сфингомиелина, ганглиозидов. Гемофилия В вызвана отсутствием протеиназы (фактор IX) в системе свертывания крови. Приобретенные энзимопатии возникают при хронических заболеваниях. Например, гастрит у студентов приводит к недостаточности ферментов в желудке. Хронический панкреатит, гепатит, энтерит приводят к недостаточности ферментов ЖКТ. Геморрагии – подкожные или внутренние кровоизлияния при К-авитаминозе возникают из-за нарушения карбоксилирования проферментов (II, VII, IX, X факторов) в системе свертывания крови. При атеросклерозе возникает недостаточность сосудистой липопротеинлипазы. Считается, что при любом заболевании возникает та или иная вторичная энзимопатия. Патологическая активация ферментов. Заболевания могут возникать в результате патологической активации ферментов. Острый панкреатит развивается в результате активации ферментов кининовой системы плазмы трипсином из поврежденных участков поджелудочной железы. Почечная гипертония возникает при патологической активации ренина.
4.2. ЭНЗИМОДИАГНОСТИКА
Ферменты применяют для диагностики заболеваний. Их можно определять в плазме крови, клетках крови, моче, слюне и т. д. Чаще всего определяют активность ферментов в плазме. Ферменты плазмы делят на функциональные и нефункциональные. Функциональные: это ферменты, синтезирующиеся в печени и поступающие в плазму в виде проферментов. К ним относятся, например, ферменты систем свертывания крови, фибринолиза, кининов, холинэстераза. Нефункциональные – поступают в плазму при воспалении и некрозе. Гиперферментемия это только диагностический тест. В диагностике полезны органоспецифичные ферменты. Это ферменты активные только в одном органе. Например, в печени максимально активны ЛДГ5, АлАТАсАТ; в миокарде – ЛДГ1, АсАТАлАТ, КК; в поджелудочной железе - -амилаза, липаза; в предстательной железе – кислая фосфатаза. Другой аспект использования ферментов в диагностике это применение их в качестве реагентов для определения глюкозы, холестерина, мочевины, лактата. Использование ферментов увеличивает чувствительность и специфичность биохимического метода.
4.3. ЭНЗИМОТЕРАПИЯ
Применение ферментов в медицине предложено еще И.П. Павловым для лечения больных с пониженной секрецией желудочного сока и недостаточностью пепсина. В настоящее время в качестве заместительной энзимотерапии широко используются смеси пищеварительных ферментов (фестал, мезим, панзинорм). Уже давно применяют ферменты (трипсин, химотрипсин и др.) для лечения гнойных ран, трофических язв в форме повязок и аппликаций. ДНКазы, РНКазы применяют для лечения вирусных и злокачественных заболеваний. Коллагеназа, эластаза, гиалуронидаза (лидаза) используются для рассасывания рубцов и лечения суставов. Парентеральное применение ферментов затруднено в связи с их белковой природой. Они либо гидролизуются протеазами крови, либо блокируются антителами. Однако при некоторых заболеваниях применяются достаточно эффективно, например, для рассасывания тромбов (стрептодеказа), для лечения некоторых форм лейкозов (аспарагиназа). Для предотвращения тромбоза, больным с ишемической болезнью сердца назначают тканевой активатор плазминогена. Перспективны иммобилизованные ферменты, которые более стабильны, обладают более длительным действием, меньшей аллергенностью. Чаще всего растворимые иммобилизованные ферменты получают путем ассоциации с декстраном. Другой подход – микрокапсулирование и включение в липосомы. В этом случае ферменты защищены от действия протеаз. Кроме ферментов в терапии применяют коферменты. Например: коэнзим А при мышечной дистрофии, пиридоксальфосфат при судорожных состояниях из-за недостатка тормозных медиаторов, тиаминпирофосфат (кокарбоксилаза) при недостаточности коронарного кровообращения. Очень широко в медицинской практике в качестве лекарств применяют ингибиторы ферментов. Ингибиторы синтеза холестерина для лечения атеросклероза, ингибиторы пептидаз для лечения панкреатита, эмфиземы легких; аллопуринол – ингибитор ксантиноксидазы для лечения подагры. Стандартизация и контроль качества ферментов как лекарств оценивают по их каталитической активности. Это связано с тем, что фармакологический эффект обусловлен именно биологической активностью препарата, а не обязательно его концентрацией. Для аналитических целей применяют ферментные электроды. Это комбинация электрохимических датчиков и иммобилизованных ферментов. Для контроля содержания пенициллина в средах применяют электрод с ферментом пенициллазой. Аналогичные ферментные электроды применяют для определения мочевины, аминокислот.