Клиническая биохимия крупного рогатого скота

ФЕРМЕНТЫ СЫВОРОТКИ КРОВИ

В животном организме изучено около трех тысяч химических реакций, подавляющее большинство которых требует участия специальных катализаторов – ферментов. Почти все они являются белками.

Ферменты являются высокоэффективными катализаторами, изменяя степень химической реакции от 10⁵ до 10¹⁷ . Фермент – катализируемые реакции характеризуются образованием комплекса между субстратом и ферментом. Связывание субстрата происходит на активном центре фермента.

Значительная часть энергии, используемая для ферментативной реакции, осуществляется за счет слабых взаимосвязей (водородные, гидрофобные и ионные связи) между субстратом и ферментом. Необходимость для множества этих взаимосвязей является объяснением большого размера молекул ферментов.

Каждая химическая реакция характеризуется определенной энергией активации. Механизм действия ферментов заключается в снижении энергии активации системы. Энергия активации – это величина энергии, которую необходимо внести в систему для того, чтобы все молекулы реагирующих веществ были способны к активному соучастию. Иначе говоря, энергия активации – это энергетический барьер, снижая который ферменты вовлекают часть молекул, пассивных в обычных условиях, преодолеть этот более низкий барьер и принять участие в химической реакции. Очевидно, что чем меньше «высота» этого барьера или энергия активации, тем активнее протекает химическая реакция. Благодаря участию фермента химическая реакция из одноэтапной (при отсутствии фермента) превращается в двухэтапную, причем сумма энергии активации этих двух этапов оказывается меньше энергии активации в реакции без фермента.

Международный биохимический съезд (1961 г.) утвердил 6 классов ферментов на основе типа химической реакции, которую они катализируют:

1. Оксидоредуктазы (дегидрогеназы).

2. Трансферазы.

3. Гидролазы.

4. Лиазы.

5. Изомеразы.

6. Лигазы (синтетазы).

Эта классификация ферментов широко используется при проведении научно-исследовательской работы в области ферментологии. Согласно этой классификации, каждый фермент имеет шифр из четырех цифр. Первая цифра обозначает класс фермента, вторая цифра – подкласс, третья цифра – подподкласс, четвертая цифра – порядковый номер в подподклассе. Например, фермент спиртового брожения – алкоголь-

дегидрогеназа зашифрован как КФ 1.1.1.1. Шифр указывает, что это оксидоредуктаза (первая цифра 1), при этом ее эффект направлен на гидроксильную группу (вторая цифра 1) с использованием НАД как акцептора водорода (третья цифра 1). Четвертая цифра обозначает порядковый номер данного фермента в подподклассе.

Ферменты обладают всеми свойствами, присущими катализаторам: специфичность действия, зависимость от рН и температуры среды, активность в чрезвычайно малых концентрациях. Существует последовательность в деятельности ферментов; белки, жиры, углеводы кормов под влиянием гидролаз пищеварительной системы распадаются до простых веществ, которые затем подвергаются дальнейшим превращениям с участием других классов ферментов. Поэтому отсутствие одного из ферментов влечет последующее нарушение обмена веществ в целом.

Активность ферментов может изменяться за счет повышения или снижения их синтезов или деградации. Активность ферментов также может быть изменена ковалентной модификацией. Например, с ферментом ковалентно связывается фосфорильная группа к остатку серина в обмене гликогена. Активность фермента может быть изменена аллостерическими механизмами. Например, в цикле Кребса изоцитрат дегидрогеназа активируется за счет АДФ, который взаимодействует с аллостерическим, а не с каталитическим центром белка. В случае снижения концентрации АТФ концентрация АДФ увеличивается и служит сигналом для повышения синтеза АТФ. В конечном счете, повышается активность всего цикла Кребса.

В основе многих явных и скрытых патологических состояний организма лежат нарушения функционирования ферментных систем. Многие ферменты локализуются внутри клеток, а поэтому в сыворотке (плазме) крови их активность низка или вообще отсутствует. Следовательно, анализируя сыворотку (плазму) крови, по активности определенных ферментов можно выявить изменения, происходящие внутри клеток различных органов и тканей. Другие ферменты постоянно содержатся в крови в известных количествах и выполняют определенные функции (ферменты системы свертывания крови).

Ферменты – белки, которые присутствуют в тканях в очень низких концентрациях. Активность фермента измеряется количеством превращаемого субстрата или полученного продукта в единицу времени при определенных стандартных, оптимальных для данного фермента условиях. Поэтому судить о количестве фермента принято по скорости реакции, которую они катализируют в определенных условиях измерения. Определение активности фермента – это косвенное определение его количества, так как скорость ферментативной реакции пропорциональна концентрации фермента.

Согласно международной системе мер (1972 г.), в ферментологии введена новая международная единица активности фермента – катал. Катал соответствует количеству фермента, способному вызвать превращение 1 моль субстрата в продукт в 1 с (1 моль/с). В практической работе катал часто оказывается слишком большой величиной, поэтому каталитическую активность фермента выражают в микрокаталах (мккат), нанокаталах (нкат), пикокаталах (пкат). Комиссией по ферментам Международного биохимического союза была рекомендована стандартная международная единица 1 МЕ (U), которая показывает, что за одну минуту фермент катализирует реакцию с субстратом в количестве 1 мкмоль. В клинической лабораторной практике оказалось удобнее использовать единицу измерения активности фермента 1 МЕ/л (U/l). Методы определения ферментативной активности базируются на различиях в физико-химических свойствах субстратов и продуктов реакции.

Для определения активности ферментов используются спектрофотометрические, колориметрические, флюорометрические, газометрические, хроматографические, поляриметрические методы.

Активность ферментов в сыворотке крови отражает сбалансированность скорости синтеза ферментов внутри клеток и выхода их из клеток. Увеличение активности ферментов крови может быть результатом ускорения процессов синтеза, понижения скорости выведения, повышения проницаемости клеточных мембран, действия активаторов, некроза клеток. Уменьшение активности ферментов вызывается повышением скорости выведения фермента, действием ингибиторов, угнетением синтеза. Повышение активности в крови того или иного фермента является весьма ранним диагностическим тестом. Дополнительное определение изоферментного спектра позволяет уточнить локализацию патологического процесса, так как каждый орган имеет свой определенный изоферментный спектр.

Недостатком использования определения активности ферментов в диагностической работе является отсутствие строгой специфичности по отношению к конкретной ткани или органу. Один и тот же фермент присутствуют в разных органах, поэтому повышение его активности в сыворотке крови может быть следствием патологического процесса в любом из этих органов. Однако, проблема разрешима двумя путями. Вопервых, следует знать, что в различных органах два разных фермента могут присутствовать в разных соотношениях; например, в печени содержание аланинаминотрансферазы выше, чем аспартатаминотрансферазы, по сравнению с уровнем этого фермента в клетках сердца. Вовторых, следует определять также и изоферментный спектр, который часто является специфической характеристикой определенной ткани.