ташкент-2007 - Учебно-методические комплексы Ташкентской
реклама
МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ЦЕНТР РАЗВИТИЯ МЕДИЦИНСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТАШКЕНТСКАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ МЕДИЦИНСКАЯ ЭНЗИМОЛОГИЯ МЕТОДИЧЕСКАЯ РЕКОМЕНДАЦИЯ для студентов второго курса медицинских ВУЗов ТАШКЕНТ-2007 МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ЦЕНТР РАЗВИТИЯ МЕДИЦИНСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТАШКЕНТСКАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ «УТВЕРЖДАЮ» Начальник Главного управления науки и учебных заведений Министерства Здравоохранения РУз, профессор Ш.Э. Атаханов ________________________________ «_____»____________________2007г. МЕДИЦИНСКАЯ ЭНЗИМОЛОГИЯ МЕТОДИЧЕСКАЯ РЕКОМЕНДАЦИЯ для студентов второго курса медицинских ВУЗов ТАШКЕНТ-2007 Кафедра биоорганической и биологической химии лечебного и санитарно-гигиенического факультетов Ташкентской Медицинской Академии Составители: Абраров А.А. профессор кафедры биоорганической и биологической химии ТМА, д.м.н., профессор. Арипов А.Н. заведующий кафедры лабораторное дело ТашИУВ, д.м.н. профессор. Собирова Р.А. заведующий кафедрой биоорганической и биологической химии ТМА, д.м.н., профессор. Расулова В.Б. старший преподаватель биологической химии ТМА, к.б.н. кафедры биоорганической и Рецензенты: Ш.Каримова - доцент кафедры биологической химии ТашПМИ А.Н.Данияров - заведующий кафедрой нормальной и патологической физиологии, патологической анатомии ТМА, профессор, д.м.н. Новая комплексная программа по биоорганической и биологической химии предусматривает освещение разделов предмета программно-целевым методом с ориентацией студента на конечные результаты обучения в медицинском ВУЗе. В связи этим преподавание разделов биохимии должны быть методически разработаны таким образом, чтобы наряду с теоретическими и методологическими вопросами курс должен иметь практические разделы, необходимые студентам для их будущей врачебной деятельности. Одним из важных в практическом отношении разделом, недостаточно освещенных в учебниках по биохимии, является раздел медицинской энзимологии, которому и посвящена настоящая методическая рекомендация. Утверждено на заседании цикло-предметной комиссии по медикобиологическим дисциплинам Ташкентской медицинской академии 5 января 2007 года (протокол № 3). Утверждено на заседании Ученого Совета ТМА 28 марта 2007 года (протокол №8). Ученый секретарь ТМА, проф. Г.С.Рахимбаева В основе процессов жизни лежит стройное течение многих тысяч химических реакций, направление и скорость которых определяют биологические катализаторы - ферменты. Отсюда становится ясным, что в основе молекулярного механизма любого патологического процесса лежит нарушение координированной деятельности ферментных систем. Интенсивные биохимические исследования последних лет убедительно показали, что направленное изучение ферментного спектра органов и тканей больного организма является специфическим и тонким примером в диагностике различных заболеваний. Фундаментальные достижения современной энзимологии все больше находят применение в клинической медицине для диагностики, профилактики и лечения многих заболеваний человека. В задачу клинической энзимологии входит изучение изменения ферментного спектра органов и тканей при различных заболеваниях, разработка методов определения активности ферментов с целью диагностики, использование ферментных препаратов в лабораторной диагностике и лечение больных. Клиническая энзимология состоит из 3 главных разделов: 1. Энзимопатология - изучает энзимный статус при различных заболеваниях; 2. Энзимодиагностика - занимается разработкой лабораторных методов диагностики путем исследования активности специфических ферментов в органах и биологических жидкостях; 3. Энзимотерапия - занимается разработкой методов терапии различных заболеваний с использованием ферментных препаратов. Вопросы клинической энзимологии освещены с требованиями новой программы, по биологической химии для подготовки ВОП. СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИХ В КЛЕТКАХ И ТКАНЯХ К настоящему времени известно более 1000 ферментов, из которых более 150 выделены в виде гомогенных препаратов. Ферменты являются белками. Большинство из них имеют молекулярную массу более 10000 Да. Активный центр образуется радикалами аминокислотных остатков пептидной цепи при формировании третичной структуры. Уникальное строение активного центра обеспечивает высокую специфичность ферментативного катализа. Для проявления активности многих ферментов, кроме белковой части (апофермента), необходим небелковый компонент – кофермент, который может быть связан с апоферментом ковалентными или нековалентными связями. В состав многих коферментов входят витамины. Некоторые ферменты, их предшественники (проферменты) и их субстраты в норме постоянно циркулируют в крови человека и выполняют физиологические функции – это функциональные ферменты плазмы. К ним относятся, например, липопротеинлипаза, псевдохолинэстераза, проферменты компонентов свертывающей и противосвертывающей системы крови. Они синтезируются в печени и их концентрация в крови такая же, как в тканях, или более высокая. Нефункциональные ферменты плазмы не выполняют физиологических функций в крови, субстраты их в плазме не обнаруживаются. Активность нефункциональных ферментов в норме в крови очень мала. К ним относятся ферменты, выделяемые клетками различных органов – панкреатическая амилаза и липаза, щелочная фосфатаза (ЩФ) из желчи, кислая фосфатаза (КФ) из простаты. Причиной появления нефукциональных ферментов в крови являются процессы разрушения клеток (эритроцитов, лейкоцитов и др.) и удаление ферментов из внеклеточной жидкости путем инактивации и деградации или экскреции. СУБКЛЕТОЧНАЯ ЛОКАЛИЗАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ Внутри клеток разных тканей и самой клетке ферменты распределены неодинаково. Первое упоминание об этом относится к 1913 году, когда Warbing определил, что процесс клеточного дыхания связан с осаждаемыми внутриклеточными частицами. Развития метода дифференциального ультрацентрифугирования ускорило изучение внутриклеточной локализации ферментов. Биохимический анализ отдельных клеточных фракций показал, что ферменты расположены в разных органеллах соответственно их функции в обмене веществ. В табл. 1 представлена субклеточная локализация некоторых ферментов. Таблица 1 Локализация некоторых ферментов внутри клетки Цитозоль Амилаза Митохондрии Лизосомы Пируватдегидро Кислая -геназный фосфатаза комплекс Липаза Цитратсинтетаза α-галаксипанкреатическая даза Глицеральдегид Малатα-галокто3 фосфатдегидр- дегидрогеназа сидаза огеназа ЛактатдегироАцил-КоАГиалогеназа дегидрогеназа уронидаза АлкогольКреатинкиназа Кислая дегидрогеназа рибонуклеаза Микросомы Ядро Глюкоза-6фосфатаза ДНКполимераза Клеточная мембрана 5-нуклеотидаза ДНК-лигаза γ-глутамил транспептидаза МоноаминоЭндонуклеаза оксидаза Щелочная фосфатаза γ-Глутамилтранспептидаза Церулоплазмин Глукуронидтрансфераза К, Na-АТФ аза Аденилатциклаза Экзонуклеаза РНК-полимераза В цитоплазме содержатся ферменты гликолиза, пентозофосфатного пути, распада глюкозы, активации аминокислот, синтеза и распада гликогена, ферментный комплекс - синтеза жирных кислот и многие другие. В митохондриях происходит большая часть обменных процессов, которые обеспечивают энергией всю клетку. В них локализованы ферменты цикла Кребса, окислительного фосфорилирования, окисления жирных кислот и другие. Лизосомы участвуют в процессах внутриклеточного переваривания. Содержат около 30 ферментов, главным образом гидролаз. Лизосомальные ферменты представляют значительный интерес для медицины, так как они участвуют в воспалительных процессах, повреждениях клеток, рассасывания ткани и развития некоторых наследственных метаболических заболеваний. Микросомальная фракция включает рибосомы и эндоплазматический ретикулум. В них содержатся ферменты синтеза белков, конъюгации и др. В ядре предположительно содержатся около 40 ферментов, в число которых входят репликативный комплекс, РНК - полимераза и, по видимому, НАД-синтетаза. Клеточная мембрана содержит ферменты транспорта веществ. Активность ряда ферментов обнаруживается одновременно в нескольких органеллах. ОРГАНОСПЕЦИФИЧЕСКИЕ ФЕРМЕНТЫ Дифференцировка клеток на органы и ткани сопровождается биохимическими изменениями в них. В результате таких изменений каждый орган и ткань имеют специфический белковый и том числе ферментативный состав. Большинство ферментов широко распространены в разных органах и тканях. Однако существуют ферменты, которые активны лишь в одной или нескольких тканях и практически отсутствуют в других (табл.2). Таблица 2 Активность ферментов в некоторых тканях человека (мкмоль субстрат мин/г сырой массы ткани при 25С) Фермент Печень Скелетные мышцы 36 Эритроциты 96 Сердечная мышца 62 Аспартат-амино-трансфераза (АСТ) Аланин-амино-трансфераза (АЛТ) 60 3 3 0,1 Глутаматдегидрогеназа 60 1 0,5 0,01 Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) 156 124 147 37 Креатинкиназа 0,7 350 2030 0,01 6 5 48 1 Альдолаза 0,8 Ферменты, которые активны лишь в одном или нескольких органах (тканях) называются органоспецифическими. Кроме указанных органоспецифических ферментов следует отметить щелочную фосфатазу в крови, являющаяся, органоспецифической для костной ткани. Кислую фосфатазу – для предстательной железы; трипсин и амилазу – для поджелудочной железы, щелочную фосфатазу и 5-нуклеотидазу – для лизосом печени. Определение органоспецифических ферментов в крови представляет особую диагностическую ценность. Показатель активности органоспецифических ферментов в крови является весомым дополнением к ЭКГ при диагностике инфаркта миокарда. Активность креатинкиназы увеличивается в плазме крови через 24-36 часов, ЛДГ – через 48-72 часа, АСТ – через 24-36 часов после наступления инфаркта миокарда. ИЗМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТНОГО СОСТАВА ТКАНЕЙ ПРИ ОНТОГЕНЕЗЕ Индивидуальное развитие организма характеризуется достаточно глубокими качественными и количественными изменениями ферментного состава клеток. Показано, что активность ряда ферментов митохондрий (СДГ, ЦХО, ГДГ и др.) в печени крыс в стадии эмбриогенеза сравнительно низка, причем активность -оксибутиратдегидрогеназы не обнаруживается вовсе (А.А.Покровский и др.) После рождения активность этих ферментов нарастает. При старении экспериментальных животных удельная активность указанных ферментов снижается. Различные этапы индивидуального развития экспериментальных животных характеризуются также выраженными изменениями ферментных констилляций лизосом печени. Пренатальный период характеризуется сравнительно низкими цифрами активности лизосомальных гидролаз (ДНК-азы, РНК-азы и др.) Раннему постнатальному периоду соответствует резкий подъем их активности с максимумом на десятый день жизни. Следовательно, в ходе онтогенеза происходит приспособление ферментных констилляций к меняющимся условиям питания. В процессе старения отмечается снижение ферментной активности митохондриальных и лизосомальных белков. А.А.Покровский, К.А.Коровников и другие исследователи изучали качественную характеристику ферментных белков в онтогенезе. Опыты показали, что в печени эмбрионов присутствуют две из пяти фракций фосфофруктокиназы, которые обнаруживаются в печени взрослых животных. С возрастом характер изоферментного спектра данного фермента постепенно меняется за счет уменьшения содержания медленно мигрирующих фракций. Аналогичные изменения в онтогенезе происходит и с изоферментным спектром гексокиназы. По мере роста и полового созревания крыс общая активность гуаназиндифосфатазы значительно возрастает и изменяется изоэнзимный спектр. Онтогенез характеризуется сменой форм организации ферментных процессов, включая, изменения как тканевых ферментных спектров, так и молекулярных форм в пределах одного энзимного семейства. Отмеченная смена форм организации ферментных процессов носит черты генотипической детерминированности и адаптации к смене условий существования организма, прежде всего к меняющемуся характеру питания. Наиболее выраженные сдвиги наблюдаются при переходе организма от плацентарного к оральному питанию и совпадает с первым глотком материнского молока (А.А.Покровский, 1972). Снижение приспособляемости организма, характеризующее старение, следует связывать не только с уменьшением функциональной способности органов и систем, но и со значительным снижением надежности механизмов биохимической и в частности ферментной адаптации. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УРОВЕНЬ ФЕРМЕНТОВ ВО ВНЕКЛЕТОЧНОЙ ЖИДКОСТИ Как было отмечено, активность нефункциональных ферментов плазмы крови в норме небольшая. Однако количество их может значительно увеличиться при повреждении мембран клеток, их усиленной пролиферации или гибели (рис.1) Рис 1.Факторы, влияющие на активность ферментов в плазме крови Многие факторы способны повышать проницаемость мембран и таким образом вызывать появление внутриклеточных ферментов в плазме. К этим фактором относятся недостаток притока кислорода в клетку, снижение концентрации глюкозы в крови, присутствие многих лекарственных и химических веществ, блокирующих гликолиз, цикл трикарбоновых кислот и окислительное фосфорилирование. Патогенные бактерии, бактериальные токсины и вирусы воздействуют непосредственно на мембрану. Кроме того существуют генетически обусловленные нарушения структуры мембран. Утечка ферментов может быть обратимой или прогрессировать до необратимой стадии. Если началось выделение ферментов, то скорость их появления в крови зависит от трех факторов. Первый фактор – градиент концентрации, обеспечивающий движение ферментов через мембрану. Величина его различна для разных ферментов и типов тканей. Например, активность лактатдегидрогеназы (ЛДГ) в клетках печени примерно в 3000 раз, а в эритроцитах – в 200 раз выше, чем в плазме; алкогольдегидрогеназы – в 20000 раз, аспартат и аланинаминотрансферазы (АсАТ и АлАТ) – 10000 раз. Чем выше градиент, тем быстрее фермент появляется в крови. Второй фактор – размер молекулы фермента. Более мелкие молекулы диффундируют с большой скоростью, чем крупные, и выделяются на ранней стадии повреждения мембран. Третий фактор – внутриклеточная локализация ферментов. В первую очередь в плазму выходят цитоплазматические ферменты, а при некрозе клетки, когда разрушаются внутриклеточные органеллы – и митохондриальные. Присутствие во внеклеточной жидкости веществ, изменяющих активность ферментов, также изменяется активность ферментов крови. Однако наиболее важными и полезными с диагностической точки зрения являются те изменения, которые возникают в результате нарушения скоростей образования специфических ферментов вследствие либо повышения их синтеза клетками, либо увеличения количества таких клеток, а также увеличение количества ферментов в крови, связанное с выделением их из поврежденных мертвых клеток. ИЗМЕНЕНИЕ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ ПРИ БОЛЕЗНЯХ (ЭНЗИМОПАТОЛОГИЯ) Механизм развития многих заболеваний основан на изменении активности ферментов в тканях и органах. Существует немало заболеваний, характеризующихся стабильным отклонением от нормального ферментного статуса организма. Основными факторами, вызывающими изменение активности ферментов при болезнях, являются: 1. Выпадение синтеза фермента, связанное с мутационным изменением структуры гена, кодирующего синтез данного фермента (наследственные энтимопатии); 2. Токсические факторы, угнетающие биосинтез ферментов; 3. Алиментарные факторы (дефицит витаминов, белка, микроэлементов, разбалансированность рационов питания); 4. Нарушение внутриклеточной организации ферментативных процессов (табл. 3). Нет заболевания, при котором не возникали бы энзимные нарушения. Следовательно, можно считать, что энзимопатология охватывает всю область патологии человека. По мнению Абдергалдена, болезни являются нарушениями гармонического взаимодействия ферментов. Исходя из вышеизложенного, развитие любого патологического процесса можно представить следующим образом: этиологический фактор, вызывающий заболевание, приводит к нарушению работы одной или нескольких ферментных систем. Блокируется течение соответствующих процессов обмена, в результате чего возникает заболевание с характерными для него симптомами. Таблица 3 Некоторые ферменты, используемые в клинике для диагностики заболеваний Ферменты Аланинаминотрансфераза Аспартатаминотрансфераза Амилаза Креатинкиназа Лактатдегидрогеназа γ-глутамилтранспептидаза Липаза панкреатическая Кислая фосфатаза Щелочная фосфатаза Глутаматдегидрогеназа Лейцинаминопептидаза 5 - Нуклеотидаза Сорбитолдегидрогеназа Псевдохолинэстераза Гистидаза Локализация в клетке Цитозоль Заболевания Гепатиты, цирроз, инфаркт миокарда Цитозоль, митохондрии Инфаркт и др. заболевания сердца, гепатиты, заболевания почек Цитозоль Острый панкреатит Цитозоль, митохондрии Инфаркт миокарда, заболевания скелетных мышц. Цитозоль Инфаркт миокарда, гепатиты, рак печени. Цитоплазматическая Гепатиты, цирроз, алкагольные мембрана поражения печени. Цитозоль Острый панкреатит, рак поджелудочной железы Лизосомы Метастазирующая карцинома предстательной железы, аденома, простатиты. Плазматическая мембрана Заболевания костей, цирроз, новообразования печени, закупорка протоков печени. Митохондрии Острые гепатиты (некротические формы) печеночная кома, цирроз, гепатит, метастазы печени. Цитозоль Цирроз, гепатит, рак поджелудочной железы Плазматическая мембрана Механическая желтуха, цирроз, метастазы в печени. Цитозоль Гепатиты, желтухи. “ Нефроз, сахарный диабет типа 2, алкоголизм. “ Поражения печени. Инфекционные заболевания, отравления, заболевания органов кровообращения, обмена веществ, желудочно-кишечного тракта, водносолевого обмена сопровождаются энзимопатологией. В патогенезе большей части хирургических заболеваний установлены характерные энзимные нарушения. Недостаток компонентов пищи (эссенцальные аминокислоты, микроэлементы и ненасыщенные жирные кислоты) приводит к нарушению синтеза ряда ферментов. НАРУШЕНИЕ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ ПРИ АВИТАМИНОЗАХ И НЕДОСТАТКЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ Авитаминозы и гиповитаминозы являются типичными примерами энзимопатологии. Активность ряда ферментов зависит от структуры самого фермента (белка), тогда как для других требуется еще присутствие определенных групп небелковой природы, так называемых кофакторов. Кофакторами могут быть ионы металлов или сложные органические соединения - коферменты. Активными компонентами большинства коферментов являются рибофлавин, тиамин, пантотеновая кислота, никотинамид и другие витамины, которые не синтезируется в организме, и поэтому он должен получать их в составе пищи. Различные авитаминозы приводят к снижению биосинтеза коферментов в тканях и к снижению активности определенных групп ферментов, участвующих в обменных процессах. Следовательно, в основе патологических изменений в организме, наблюдаемых при авитаминозах, лежит нарушение функций ферментов (табл.4). Таблица 4 Витамины, коферменты и клинические признаки авитаминоза (акоферментоза) Кофермент Функция Соответствующий витамин Кофермент А (КоА) Перенос ацилов, синтез жирных кислот и другие Пантотеновая кислота Тиамипирофосфат Аэробное декарбоксилирование, перенос альдегидной группы Тиамин (В1) Фосфопиридоксаль Дезаминирование, декарбоксилирование Пиридоксин (В6) Тетрагидрофолевая кислота (ТГФК) Биотин Перенос С 1 - групп Перенос СО2 Фолевая кислота Биотин (Н) НАД и НАДФ Перенос электронов и протонов Никотиновая кислота Клиническая картина авитаминоза (акоферментоза) Парестезии, жгучие боли в пальцах и подошвах, жгучие боли в коленях Бери-бери с характерными поражением периферических нервов, (полиневрит), поражение сердца и развитие отеков Повышенная возбудимость центральной нервной системы и судорожные припадки Мегало-макроцитарная анемия Дерматиты, диспептические явления, понижение общего тонуса Пеллагра с характерными признаками поражения желудочно-кишечного тракта (диарея), кожи (дерматит и нервной системы (деменция) ФМН и ФАД Перенос электронов и протонов Рибофлавин (В2) Ангулярный стоматит (хейлоз), глоссит, конъюнктивит, кератит, ирит Влияние микроэлементов на обмен веществ тесно связано с их воздействием на активность ферментов. Ионы металлов могут служить мостиком, связывающим фермент с субстратом, или они служат компонентом каталитически активных центров, образуя так называемую группу металлоферментов. В таблице 5 приведены кофакторы некоторых групп ферментов. Таким образом, микроэлементы, вступая в соединения с химическими регуляторами обмена веществ, в частности с ферментами, являются непременными участниками биохимических процессов, стимулируют и нормализуют обмен веществ. Длительное отсутствие или недостаток в пище тех или других микроэлементов, безусловно, приводит к изменению активности определенных групп ферментов, что способствует нарушению обменных процессов и развитию различных заболеваний. Таблица 5 Название фермента Алкогольдегидрогеназа Карбоангидраза Карбоксипептидаза Фосфогидролаза Фосфотрансфераза Аргиназа Пируватфосфокиназа Кофакторы некоторых ферментов кофактор Название фермента 2+ Zn Тирозиназа 2+ Zn Цитохромоксидаза 2+ Zn Цитохромы 2+ Mg Пероксидаза 2+ Mg Каталаза 2+ Mn Ферродоксин + К кофактор Cu2+ Cu2+ Fe2+ Fe3+ Fe2+ Fe3+ Fe2+ Fe3+ Fe2+ Fe3+ ИЗМЕНЕНИЕ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ ПОД ВЛИЯНИЕМ ТОКСИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Подавляющее число ядов реализует свое токсическое действие путем глубоких нарушений в стройной сочетанной в пространстве и времени деятельности биокаталититических систем организма (А.А. Покровский,1962). Механизм действия различных ядов на ферментную систему различен. По механизму действия на течение ферментных реакций яды делятся на следующие: 1. Яды, непосредственно действующие на их активность по типу, конкурентного ингибирования. Эти соединения (яды) по своей структуре очень близки к субстрату – легко образуют прочный ферментингибиторный комплекс: блокированный таким образом фермент выбивает из цели биохимических реакций. 2. Яды также, включающие структурные аналогии субстратов, но синтез этих ядов катализируется ферментными системами самого организма из нетоксических предшественников. 3. Яды антивитамины (например: гидрозиды изоникотиновой кислоты, дезоксипиридоксин, 3, 4 – диметил – 6 аминофенол). 4. Яды, нарушающие синтез белка вообще и фермента в частности . 5. Яды – вещества, активно реагирующие с отдельными функциональными группами ферментов. 6. Яды, реализующие свое действие образованием хелатных комплексов с атомами металлов, входящих в составе ферментных структур, выполняющих каталитические функции, атомов металлов. 7. Яды, нарушающие четкую организацию взаимодействия отдельных ферментных систем; к ним относятся яды, разобщающие окислительное фосфорилирование в митохондриях. 8. Вещества, денатурирующие белок-фермент. 9. Яды, биологического происхождения, действующим началом которых являются ферменты. Приведенные данные свидетельствуют о том, что всякая интоксикация организма сопровождается изменением активности определенных групп ферментов в организме. НАСЛЕДСТВЕННЫЕ ЭНЗИМОПАТИИ Наследственные энзимопатии развиваются в результате полного выпадения синтеза какого-либо фермента. В результате возникает патологическое состояние, известное как врожденное нарушение обмена. Наследуемый набор генов в молекуле ДНК определяет в конечном счете присущий набор ферментов. У различных людей интенсивность обмена веществ варьирует подобно тому, как варьируют анатомические признаки - размеры тела, цвет кожи и другие. Метаболические различия лежат в основе характерных биохимических особенностей каждого индивидума, обозначаемых термином биохимическая индивидуальность. Любое изменение гена в результате замены одного из азотистых оснований вызывает соответствующие изменения аминокислотного состава в синтезируемом ферменте, что может привести к глубокому нарушению активности фермента. В настоящее время известно несколько сотен наследственных дефектов метаболизма, связанных с недостатком определенных ферментов в организме человека. К их числу относятся: а. фенилкетонурия, обусловленная недостаточностью фермента фенилаланингидроксилазы, катализирующего превращение фенилаланина в тирозин. В результате этого избыток фенилаланина выводится с мочой в виде фенилпировиноградной кислоты. Заболевание сопровождается слабоумием; б. алкоптонурия, обусловленная выпадением функции оксидазы гомогентизиновый кислоты; в. альбинизм – наследственное заболевание, связанное с выпадением фермента тирозинозы, что приводит к невозможности образования пигмента меланина в меланоцитах. Сюда относятся врожденные нарушения углеводного обмена – гликогенозы: - болезнь Гирке – гликогеноз, вызванный недостаточностью глюкозо – 6 – фосфатазы; - гликогенозы, связанные с дефектом ферментной системы, катализирующей превращение в глюкозу через глюкозо – 1 фосфат и глюкозо – 6 – фосфат; - болезнь Мак-Ардля – гликогеноз, связанный с дефектом мышечной фосфорилазы, сопровождается отложением гликогена в мышцах; - болезнь Герса – связана с недостатком фосфорилазы в печени; - галактоземия обусловлена дефицитом фермента галактоза – 1 – фосфатуридилтрансферазы, сопровождается галактоземией, гипергликемией, при тяжелом течении – цирроз печени и слабоумие; - дефект фермента глюкоза – 6 фосфатдегидрогеназы. Этот фермент является особо важным в обмене глюкозы в эритроцитах и других тканях. При дефиците этого фермента организм больного чувствителен к гемолитическому действию некоторых лекарств, особенно противомалярийных препаратов, а также к отдельным пищевым продуктам (конские бобы). Эта аномалия чаще всего встречается в африканских и азиатских странах. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ В ПЛАЗМЕ КРОВИ С ЦЕЛЬЮ ДИАГНОСТИКИ БОЛЕЗНЕЙ В настоящее время в плазме крови обнаружено более 50 ферментов. Их активность может меняться в зависимости от функционального состояния тех или других органов. Ферментный спектр крови в здоровом организме является постоянным, но очень чувствительным и тонким индикатором возникновения различных патологических состояний. Различает 3 варианта изменений ферментного спектра крови: 1. Гиперферментемия – повышение активности ферментов, содержащихся в крови; 2. Гипоферментемия – понижение активности ферментов крови; 3. Появление в крови ферментов, не содержащихся в сыворотке крови в здоровом организме. Гипоферментемия рассматривается как результат снижения функциональной активности пораженных органов, синтезирующих фермент. Гиперферментемия наступает при нарушении нормальной экскреции ферментов, либо при усиленном синтезе, либо при патологии проницаемости гистогематических барьеров. В сыворотке крови при нарушении проницаемости гистохимических барьеров или в результате адаптивного синтеза защитных ферментов появляются новые ферменты. Ферментные методы диагностики являются тонкими, надежными лабораторными методами, помогающими врачу принимать правильное решение в трудных случаях. Эти методы не уступают другим диагностическим тестам. Изменение активности ферментов крови является специфичным для отдельных заболеваний (табл.6). Поэтому ферментативные методы широко применяются для ранней и дифференциальной диагностики различных заболеваний, особенно при диагностике заболеваний печени, сердца, поджелудочной железы, злокачественных новообразований, различных отравлений. Таблица 6 Ферменты, определение активности которых используется для ферментодиагностики Фермент Диагностическое значение Лактатдегидрогеназа Изоферменты лактатдегидрогеназы Аминотрансферазы Транскетолаза Глутаматдегидрогеназа Сорбитолдегидрогеназа Гамма глутамилтранспептидаза Холинэстераза Креатинкиназа Глицинамидинотрансфераза Фосфатаза Некоторые ферменты лизосом Инфаркт миокарда, заболевания печени Инфаркт миокарда, заболевания гепатобилиарной системы, острый лейкоз, опухолевые заболевания, заболевания легких. Заболевания сердца (стенокардия, инфаркт) и гепатобилиарной системы Инфекционный гепатит, инфаркт миокарда и др. Заболевания печени (эпид.гепатит) Заболевания печени Инфаркт миокарда, поражение печени Заболевание печени, инфаркт миокарда, интоксикация пестицидами Повреждение скелетной мускулатуры, острый инфаркт миокарда, при заболеваниях центральной нервной системы Нефрит, пиелонефрит Механическая желтуха, билиарный пирроз, рахит, остеосаркома Заболевания скелетной мускулатуры, острый инфаркт миокарда, некоторые наследственные заболевания. В настоящее время твердо установлены достоверные ферментативные симптомы, характерные для отдельных заболеваний. Например, повышение активности аланин-аспартатаминотрансферазы и альдолазы является ценным дополнительным диагностическим тестом для выявления острых гепатитов. Механическая желтуха характеризуется резким нарастанием активности щелочной фосфатазы. При инфаркте миокарда резко повышается активность альдолазы и аланинаминотрансферазы. При остром панкреатите значительно нарастает активность амилазы в крови. Увеличение активности кислой фосфатазы характерно для рака предстательной железы. При рахите резко увеличивается активность щелочной фосфатазы в сыворотке крови. Ферментный спектр крови при циррозах печени характеризуется значительным снижением активности бутирилхолинэстеразы и амилазы. В последнее время разработаны методы определения различных изоферментов в крови, что значительно повышает диагностическую значимость ферментных тестов в медицинской практике. ФЕРМЕНТОТЕРАПИЯ Применение ферментов, их ингибиторов и активаторов с лечебной целью привлекает в настоящее время пристальное внимание не только биохимиков, но и клиницистов всех специальностей. Ещё в прошлом веке пепсин применяли при лечении диспепсии и плохо заживающих язв. В начале ХХ века были предприняты попытки лечения заболеваний желудочно- кишечного тракта экстрактами поджелудочной железы. В последние годы в клинической практике все чаще используются различные ферменты – препараты для терапии ряда заболеваний. Этому предшествовали исследования по использованию органами и тканями парентерального введения ферментов, всасыванию протеолических и других ферментов, введенных перорально и ректально. Результаты этих исследований послужили основой развития энзимотерапии. В настоящее время в качестве лекарственных препаратов наиболее широко применяются протеолитические ферменты (расщепляющие пептидные связи в белках). Протеиназы в основном расщепляют некротические массы денатурированных белков и практически не действуют на нативные белки. Энзиматический лизис является методом избирательного удаления нежизнеспособных тканей. Такое направленное действие протеиназ объясняется тем, что в живых тканях находятся специфические ингибиторы, тормозящее действие ферментов. В связи с этим высокоочищенные кристаллические препараты протеиназ используются как эффективнее противовоспалительные средства, в хирургической практике. Трипсин - протеолитический фермент, разрывающий пептидные связи в молекуле белка. В медицинской практике применяется трипсин кристаллический, аморфный, химопсин (смесь трипсина с химотрипсином). Препараты трипсина применяется местно или парентерально в качестве воспомагательного средства для удаления вязких секретов и экссудатов при заболеваниях дыхательных путей. Применяются также внутриплеврально при экссудативном плеврите. В качестве противовоспалительного препарата применяют внутримышечно при тромбофлебитах, пародонтозах, остеомиелите, гайморите, отите и других воспалительных заболеваниях. При ожогах, пролежнях, гнойных ранах трипсин применяется местно. Химотрипсин – получают из поджелудочной железы крупного рогатого скота. Применяется в медицинской практике, так же как и трипсин местно, для очищения ран от некротизированной ткани, гноя при удаления вязких секретов и экссудатов, внутримышечно - как противовоспалительное средство. Тромболин – применяется парентерально при лечении тромбоэмболических заболеваний, инфаркта миокарда. Террилитин – препарат протеолитического действия – является продуктом плесневого гриба Aspergillus terricola. Применяют этот препарат, подобно протеолитическим препаратам типа химопсина, при лечении гнойных ран, ожогов, трофических язв, пролежней, воспалительных заболеваний верхних дыхательных путей. Гигролитин – препарат протиолитического действия. Показания для применения те же, что и для террилитина. Фибринолизин (плазмин) фермент, получаемый из профибринолизина плазмы крови человека при его ферментативной обработке трипсином. Применяется при лечении тромбоэмболии легочной и периферических артерий, сосудов мозга, тромбофлебитов, инфаркта миокарда. Стрептолиаза – препарат, содержащий фермент стрептокиназу, приготовленный из культуры гемолитического стрептококка. Обладает тромболитической активностью (превращает плазминноген в активный плазмин.). Применяют при тромбозах, тромбофлебитах, инфаркте миокарда. Рибонуклеза – ферментный препарат, получаемый из поджелудочной железы крупного рогатого скота. Показания для применения те же, что и трипсина кристаллического. Кроме того, применяется для лечения клещевого энцефалита, вирусных менингитов. Дезоксирибонуклеаза - ферментный препарат, получаемый из поджелудочной железы крупного рогатого скота. Применяют при герпетических кератитах, аденовирусных конъюктивитах и кератитах, абцессах легких, при гнойных заболеваниях легких, при туберкулезе легких. Лидаза и ронидаза – препараты, содержащие фермент гиалуронидазу. Этот фермент вызывает распад гиалуроновой кислоты, увеличивает проницаемость тканей. Лидазу и ронидазу получают из семенников крупного рогатого скота. Лидазу применяют парентерально, а ронидазу – местно при контрактуре суставов, при лечении послеожоговых или послеоперационных рубцов и гематом. Коллагеназа – фермент, катализирующий протеолитический распад коллагеновых волокон. Применяют для ускорения отторжения некротизированных тканей после ожогов и отморожений, при трофических язвах. Пепсин – протеолитический фермент, применяют внутрь при расстройствах органов пищеварения. Сок желудочный натуральный – содержит все ферменты желудочного сока. Получают от здоровых собак через фистулу. Применяют внутрь при недостаточности функции желудочных желез, ахилии, гипоианацидных гастритах, диспепсии. Абомин – получают из слизистой желудка телят. Содержит сумму протеолитических ферментов. Применяют для лечения гастритов, гастроэнтеритов, энтероколитов и других желудочно-кишечных заболеваний. Панкреатин - ферментный препарат из поджелудочной железы убойного скота. Содержит, главным образом, трипсин и амилазу. Применяют при желудочно-кишечных заболеваниях, хронических панкреатитах, гепатитах, энтероколитах. Пенициллиназа - фермент, продуцируемый определенными видами микроорганизмов. Этот фермент, инактивирует бензилпенициллин и другие чувствительные к этому пенициллины. Применяют при острых аллергических реакциях, вызванных препаратами пенциллина. ПРЕПАРАТЫ, ОБЛАДАЮЩИЕ АНТИФЕРМЕНТНОЙ АКТИВНОСТЬЮ Ааминокапроновая кислота – препарат, угнетающий фибринолиз (блокирует активаторы плазминогена и плазмина) и останавливающий кровотечение. Применяет в качестве кровоостанавливающего препарата при хирургических операциях и при некоторых гематологических заболеваниях. Абмен (пара-аминометил - кислота) - Антифибринолитическое средство применяют для остановки кровотечений, обусловленный усиленным фибринолизом. Пантрипин - препарат, получаемый из поджелудочной железы крупного рогатого скота. Обладает способностью угнетать активность трипсина и других ферментов. Применяют для лечения острого и хронического панкреатита. Контрикал – препарат, близкий по действию к пантрипину. Применяют так же, как пантрипин. Гордокс – препарат, получаемый из поджелудочной железы убойного скота. По действию, сходен с пантрипином. Ингибирует трипсин и другие ферменты. Показания к применению те же, что и для пантрипина. ИНГИБИТОРЫ ФЕРМЕНТОВ, КАК ЛЕЧЕБНЫЕ ПРЕПАРАТЫ Активность ферментов в большей степени зависит от присутствия в среде эффекторов – активаторов и ингибиторов. Первые увеличивают ферментативную активность, а вторые – тормозят. Успехи биохимии, патофизиологии и фармакологии последних лет позволили расшифровать механизм действия многих препаратов, в том числе уже давно используемых в клинике. Для действия многих из них мишенью является фермент, изменение активности которого, благоприятно влияет на течение заболевания. Оказалось, что большая часть лекарственных препаратов снижают скорость ферментативных реакций или полностью их блокируют и являются ингибиторами. В настоящее время применение ингибиторов ферментов – важная и перспективная область энзимотерапии. Лекарственные вещества, влияющие на активность ферментов, различны по своему происхождению. Большее число препаратов являются продуктом химического синтеза, другие получают из клеток микроорганизмов, растений или животных. Широко применяются лекарственные вещества, инактивирующие различные ферменты. К ним относятся: А. Ингибиторы холинэстеразы (физистигмин, прозерин, галантемин, пиридостигмина бромид, оксазил, фосфакол, армин, нибуфи, хлорофтальмпирофос, хлофосфол и др.). Эти вещества способны вызвать и инактивировать холинэстеразу, что приводит к накоплению ацетилхолина в нервных окончаниях и усиливает его действие на органы и ткани. Б. Ингибиторы моноаминооксидозы (МАО): ипразид и иналамидпроизводные гидразина. Эти вещества ингибируют МАО необратимого характера; применяются в психиатрии, главным образом, для лечения затяжных тяжелых депрессий; В. Ингибитор карбоангидразы – диакарб, применяется в качестве диуретического препарата при лечении глаукомы, эпилепсии. Механизм его лечебного действия основан на подавлении активности карбоангидразы в различных органах и тканях. Г. ингибитор ксантиноксидазы (аллопуринол) применяется для лечения и профилактики подагры, мочекаменной болезни и других заболеваний. Механизм действия препарата связан с его способностью ингибировать фермент ксантиноксидазу, участвующий в синтезе мочевой кислоты. Д. Ингибитор ацетальдегидроксилазы-тетерам (антабус) применяется для лечения хронического алкоголизма. Действия препарата основано, на его способности специфически влиять на метаболизм этилового спирта. Этот препарат ингибирует ацетальдегидроксилазу и тормозит превращение ацетальдегида в уксусную кислоту, в результате чего происходит накопление ацетальдегида в крови, с тяжелыми признаками отравления. Е. Ингибиторы протеолитических ферментов: - пантрипин – препарат, получаемый из поджелудочной железы крупного скота. Лиофилизированный порошок. Угнетает активность трипсина. Применяют для лечения и профилактики острого и хронического панкреатита. - ингибитор фибринолиза – Е-аминокапроновая кислота, П-аминобензойная кислота, транс-4-аминометилциклогексан карбоновая кислота. Эти препараты вызывают торможение фибринолиза. КОФЕРМЕНТЫ КАК ЛЕЧЕБНЫЕ ПРЕПАРАТЫ В качестве лечебных препаратов широко применяется также коферменты. Кокарбоксилаза (тиаминпирофосфат) – кофермент ферментов, участвующих в углеводном обмене. Этот препарат применяется для лечения сердечно - сосудистых заболеваний, инфаркта миокарда, диабетической и печеночной комы, а также других нарушений углеводного обмена. Рибофлавинмононуклеотид (флавинмононуклеотид) - кофермент, применяется при авитаминозе В2, зудящих дерматозах, хронических экземах, нейродерматидах и других заболеваниях. ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ КАК АНАЛИТИЧЕСКИХ РЕАГЕНТОВ В ЛАБОРАТОРНОЙ ДИАГНОСТИКЕ. В клинической практике ферменты используются и в качестве реактивов при определении содержания глюкозы в крови и моче (глюкозоксидаза). В настоящее время имеются очень простые способы (например, с помощью специальных реактивных бумажек), позволяющие быстро и с изобретательностью выполнять требуемый анализ. При помощи ферментов проводятся точные качественные определения молочной, пировиноградной, альфа-кетаглютаровой кислот, АДФ, АМФ и АТФ, этанола, мочевой кислоты и другие. Эти методы обычно чувствительны, точны и перспективны. ИММОБИЛИЗОВАННЫЕ ФЕРМЕНТЫ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ Фиксированные в твердом носителе ферменты называются иммобилизованными. Существует различные методы иммобилизации ферментов, которые можно разделить на две группы: 1. Ковалентное присоединение к нерастворимым подложкам 2. Физическое включение фермента в инертную матрицу. При иммобилизации ферментов изменяется кинетика, снижается скорость и инактивизация, повышается их стабильность и устойчивость. Иммобилизованные ферменты имеют преимущества по сравнению с растворимыми ферментами, так как они могут быть многократно использованы для кинетических анализов, ферментативной реакции, в промышленности в реакторах, для дезинфекции воздуха, в медицинской практике для лечения больных. Для предохранения иммобилизованных ферментов от бактериального разложения фермент иммобилизуется с бактерицидными веществами (например, лизоцим). Иммобилизованные ферменты в виде ферментных электродов применяются в медицинской диагностике, например для количественного определения мочевины, глюкозы, аминокислот, этанола, мочевой кислоты и др. В медицинской практике применяются иммобилизованная уреаза, аспаракиназа. В настоящее время имеется проточный анализатор с реактором, содержащий иммобилизованный фермент уреазу, который применяется для серийного анализа количественного содержания мочевины в сыворотке крови. Приведенные данные свидетельствуют о том, что иммобилизация ферментов открывает широкие перспективы для создания эффективных нерастворимых катализаторов для медицинских исследований, пищевой промышленности и народного хозяйства. Иммобилизованные фибринолитические ферменты широко применяются в терапии тромбозов. Применение иммобилизованных ферментов при одномоментном введении аппарата позволяет создать длительную устойчивость концентрации его либо в циркулирующей крови, либо в том, что уменьшается общая доза фермента, увеличивается его активность и одновременно соблюдаются многие нежелательные побочные эффекты. В настоящее время получен экспериментально целый ряд иммобилизованных ферментов – стрептокиназа, фибринолизин, трипсин, урокиназа. Удалось получить ряд ферментов, например, химотрипсин, иммобилизованный гепарине. Такой комплекс обладает не только способностью разрушать тромб, но и длительно поддерживать высокую активность в крови. В первые в клинической практике для лечения тромбозов и инфаркта миокарда с успехом был применен препарат иммобилизованный стрептокиназы - стрептодеказа. В настоящее время клиническая энзимология уверенно развивается как важная составляющая часть клинической и лабораторной медицины. Рекомендуемая литература: 1. Шамрай Е.Ф., Пащенко А.Е. Клиническая биохимия М., 1970. 2. Кретович В.Л. Введение в энзимологию. М., 1967. 3. Мосс и др. Ферменты в медицине. М., 1978. 4. Асатиани В.С. Ферментные методы анализа. М., 1969 5. Иванов И.И., Коровин Б.Ф., Маркелов И.М. Введение в клиническую энзимологию. Л., 1974. 6. Врожденные и приобретенные энзимопатологии / Под ред. Т.Ташева. – М., 1980. 7. Клинико-диагностическое значение лабораторных показателей /Долгов В., Морозова В., Мартишевская Р. И др. – М., 1995. 8. Клинический диагноз – лабораторные основы / Под. ред. В.В. Меньшкова – М., 1997. 9. Кондратенко Т.Я. Биохимические исследования крови как метод диагностики заболеваний: Метод. Рекомендации – М. 1988. 10.Мари Р. И др. Биохимия человека – М., 1993. 11.Меньшова В.В. Ферменты в диагностике: проблемы и методы //Клин. Лаб. Диагн. 1996. №6 С.51-52 12.Мосс Д.В. Баттерворд П.Дж. Энзимология и медицина: Пер с анг. М.1978. 13.Clinical Biochemistry / Gaw A., Cawan R.A., O’ Reilly D.Y. et. al. – Edinburgh. 1993. 14.Zliva Y.R., Pannall P.L. Clinical Chemistry in Diagnosis and Treatment.London, 1984.
