биохимия лекции. Энзимология как учение о ферментах. Простые и сложные ферменты
 Скачать 3.9 Mb.
|
|
Раздел 5.3 Приобретённые нарушения ферментативной активности и их последствия. Не во всех случаях недостаток фермента в организме связан с генетическими дефектами. Например, при воспалительных заболеваниях и опухолях желудка нарушается выделение соляной кислоты и желудочных ферментов. В результате нарушается переваривание пищи, размножаются микроорганизмы, усиливаются процессы брожения и гниения. Недостаточность поджелудочной железы, развивающаяся при хроническом алкоголизме, сопровождается снижением выработки и секреции в просвет двенадцатиперстной кишки трипсиногена, химотрипсиногена, липазы и амилазы. Это приводит к нарушению переваривания и всасывания белков, жиров и углеводов в тонком кишечнике. Другой пример нарушения функционирования ферментов может быть связан с недостаточностью биосинтеза небелковой части сложного фермента (кофермента или простетической группы). Биосинтез ферментного белка может осуществляться нормально, но тем не менее активность фермента в тканях понижена. Как вам известно из материалов темы 1, большинство коферментов является производными витаминов. Витамины в организме человека не синтезируются и поэтому должны поступать в готовом виде с пищей. Если тот или иной витамин в пище отсутствует, то соответствующий кофермент не может быть построен и биохимические реакции, в которых он участвует, не происходят. Заболевания, обусловленные отсутствием витаминов в организме, называют авитаминозами. По существу они являются аферментозами. Авитаминозы — полное истощение витаминных ресурсов организма, проявляющееся на фоне специфических клинических симптомов, характерных для конкретного витамина или их группы. Авитаминозы развиваются, как правило, на фоне длительного голодания. Чаще всего приходится встречаться с гиповитаминозными состояниями. Гиповитаминозом считают снижение содержания витаминов в организме по сравнению с его нормальными потребностями. Клинически гиповитаминоз проявляется отдельными нерезко выраженными проявлениями, характерными и для этого вида авитаминоза. Неспецифическими проявлениями гиповитаминозов могут быть общие для различных видов гиповитаминозов или полигиповитаминозов симптомы: снижение аппетита, работоспособности, быстрая утомляемость и др. Причины, приводящие к развитию гиповитаминозов, многообразны, но в основном их можно разделить на 4 группы: алиментарная недостаточность витаминов; угнетение нормальной кишечной микрофлоры, продуцирующей ряд витаминов; нарушение усвояемости (ассимиляции) витаминов; повышенная потребность организма в витаминах. Давно известна и когда-то была широко распространена болезнь «бери-бери» (сейчас ее называют полиневритом — множественным воспалением нервов, в некоторых слаборазвитых странах она и теперь встречается нередко). Причина ее— отсутствие в пище витамина В1. Этот витамин— тиамин — в соединении с фосфорной кислотой представляет собой небелковую часть фермента декарбоксилазы, с которым мы уже встречались: декарбоксилаза разрушает карбоксильную группу (СООН) некоторых органических кислот, отщепляя от нее углекислоту (СО2). Для обмена веществ в нервной системе особую роль играет декарбоксилирование пировиноградной кислоты. В отсутствие витамина В1 декарбоксилаза образоваться не может, реакция прекращается и в нервной ткани наступают нарушения, типичные для полиневрита: параличи конечностей, боли в мышцах, слабость, контрактуры. Тяжелое заболевание — пеллагра — связано с отсутствием в пище витамина РР — никотиновой кислоты. Название «пеллагра» происходит от двух итальянских слов, которые по-русски означают шершавая кожа. При пеллагре наблюдаются воспаление кожи, нарушения деятельности кишечника и психические расстройства. Интересно отметить, что связь пеллагры с недостатком никотиновой кислоты была установлена только в 1937 г., в то время как само вещество известно химикам с 1866 г. Сейчас мы знаем, что причина нарушений при авитаминозе РР заключается в том, что никотиновая кислота в форме никотинамида входит в состав кофермента — небелковой части большой группы окислительных ферментов — никотинамидных дегидрогеназ, о которых мы подробно рассказывали, когда обсуждали процесс биологического окисления. Мы не вдавались в тонкости их химической структуры, приводили лишь их сокращенные обозначения НАД и НАДФ и подчеркивали, что никотинамид представляет собой их главную составную часть. Естественно, что в отсутствие никотинамида фермент не работает. Следовательно, и здесь, в случае пеллагры, авитаминоз обернулся аферментозом. По некоторым данным, пеллагра вызывается отсутствием в пище не одной только никотиновой кислоты, но и еще одного соединения — пиридоксина, известного под названием витамина В6. Считают, что нервные расстройства, наблюдаемые при пеллагре у людей, зависят именно от отсутствия пиридоксина. На протяжении двух-трех последних десятилетий, главным образом благодаря исследованиям советского биохимика академика А. Е. Браунштейна и его школы, было показано, что производные пиридоксина в соединении с фосфорной кислотой входят в состав многих ферментов обмена аминокислот. Недостаток в пище пиридоксина — вещества, не синтезируемого в организме человека, приводит к невозможности построить нуждающиеся в нем ферменты, а это в свою очередь ведет к нарушениям обмена веществ и к характерным заболеваниям. Упомянем еще об одном витамине. Он называется витамином В2, а по химической природе представляет собой довольно сложную циклическую структуру — рибофлавин. Авитаминоз В2 связан с тяжелыми поражениями кожи лица и глаз. Причина — недостаток фермента. Вспомним, что в цепи биологического окисления кроме никотинамидных дегидрогеназ участвует еще одна группа сходных с ними ферментов — флавиновые дегидрогеназы. Именно они не могут быть синтезированы в организме при отсутствии в пище рибофлавина, а их недостаток проявляется в форме тяжелого заболевания. Таким образом, при самых различных авитаминозах развитие заболевания связано с отсутствием или недостатком ферментов, которые не могут быть синтезированы в организме из-за отсутствия необходимых витаминов. В большинстве случаев лечение таких заболеваний заключается в восполнении витаминных запасов организма. Профилактика витаминной недостаточности состоит в обеспечении полного соответствия между потребностями человека в витаминах и их поступлением с пищей. Наряду с полноценным витаминным составом рацион должен быть оптимален по своей энергетической ценности, содержать соответствующие количества других пищевых веществ, прежде всего незаменимых. При этом особенно важно достаточное поступление с пищей полноценного белка, дефицит которого может вести к нарушению процессов усвоения витаминов в желудочно-кишечном тракте, их транспорта в крови, внутриклеточного метаболизма и др. Обязательным требованием является сбалансированность между всеми заменимыми и незаменимыми факторами питания. Основные проявления некоторых гипо- и авитаминозов представлены в таблице 5.2. Таблица 5.2 Характеристика гиповитаминозов иамин (витамин B1) бери-бери Мышечная слабость, истощение, нарушение координации движений, периферический неврит, сердечная недостаточность, в крови резко возрастает концентрация пировиноградной кислоты рибофлавин (витамин B2) Очаговое выпадение волос, повреждение слизистой рта, изъязвление углов рта и глоссит, воспаление роговицы глаз, катаракта хрусталика ниацин (витамин PP) пеллагра Дерматит (поражение кожи), диарея (поражение желудочно-кишечного тракта), деменция (нарушения нервной деятельности, слабоумие) биотин (витамин H) себорея Очаговое выпадение волос, анемия, потеря аппетита и тошнота, депрессия, слабость, болезненность и слабость мышц, сухость и сероватый оттенок кожи цианкобаламин (витамин B12) злокачественная анемия Анемия, поражение желудочно-кишечного тракта, утомляемость, онемение и другие нервные нарушения, аномалии сердечного ритма фолиевая кислота (витамин Bc) мегалобластическая анемия Снижение количества эритроцитов и гемоглобина в крови; появление в крови и костном мозге крупных клеток – мегалобластов аскорбиновая кислота (витамин C) цинга Кровоточивость дёсен, выпадение зубов, подкожные кровоизлияния, медленное заживление ран, потеря волос, слабость, раздражительность Раздел 5.4 Изменения активности ферментов в тканях под действием лекарственных препаратов и ядов. Механизмы токсического действия подавляющего большинства химических веществ в настоящее время неизвестны. В этой связи, очень многие описываемые ниже классы молекул и молекулярных комплексов, образующих организм, рассматриваются, по большей части, лишь как вероятные рецепторы (мишени) действия ядов. Рассмотрение их в этом ракурсе правомочно, поскольку в основе действия некоторых хорошо изученных токсинов лежит взаимодействие с представителями именно этих классов биомолекул. Структурными элементами клеток, с которыми взаимодействуют токсические вещества, как правило, являются: белки; нуклеиновые кислоты; липидные элементы биомембран; селективные рецепторы эндогенных биорегуляторов (гормонов, нейромедиаторов и т.д.). При взаимодействии ядовитых веществ с белками токсический эффект может развиваться при нарушении каждой из функций белков (транспортной, структурной, каталитической). К числу веществ, денатурирующих белки, относятся крепкие щелочи, кислоты, окислители, ионы тяжелых металлов. В основе денатурации лежит повреждение внутримолекулярных связей, поддерживающих вторичную, третичную структуру белка. При этом наиболее часто токсические соединения взаимодействуют с СООН-, NH-, OH-, SH-группами аминокислот, образующих белки. Многочисленные токсины, связывающиеся с SH-группами, называются тиоловыми ядами. К числу тиоловых ядов прежде всего следует отнести тяжелые металлы, такие как ртуть, мышьяк, сурьма, таллий, органические соединения этих металлов (метилртуть, люизит и т.д.). Другие металлы более активно взаимодействуют с карбоксильными группами (свинец, кадмий, никель, медь, марганец, кобальт). Особое значение в токсикологии придают действию чужеродных веществ (ксенобиотиков) на ферменты. Возможными механизмами модуляции активности ферментов химическими веществами являются: 1. Усиление каталитической активности усиление синтеза энзимов блокада разрушения ферментов активация ферментов 2. Угнетение каталитической активности угнетение синтеза ферментов ускорение разрушения ферментов угнетение специфической активности 3. Изменение конформации ферментов Усиление каталитической активности ферментов Это действие может быть вызвано поступлением в организм индукторов синтеза белков. Физиологическими индукторами синтеза ферментов являются многие субстраты и вещества, повышающие содержание коферментов в биосредах. Некоторые гормоны выступают в качестве индукторов синтеза белка. Так, трииодтиронин у крыс с удалённой щитовидной железой существенно увеличивает содержание глюкозо-6-фосфатазы и НАДН-цитохром-с-редуктазы в микросомах печени. Стероидные гормоны - активные индукторы синтеза ферментов, например, триптофанпирролазы и др. К числу индукторов относятся барбитураты, циклические углеводороды, полигалогенированные полициклические углеводороды и многие другие. Токсичность такого известного токсиканта, как 2,3,7,8-тетрахлорпарадибензодиоксин (диоксин, ТХДД) в настоящее время связывают именно со способностью вызывать индукцию синтеза ферментов. Среди индукторов многие - канцерогены. Например, 3,4-бенз(а)пирен, 5-метилхолантрен. Активность фермента зависит от наличия в среде кофакторов или простетических групп. Функции кофакторов выполняют различные производные витаминов и ионы металлов. Их поступление в организм необходимо, однако передозировка сопровождается интоксикацией. Особенно опасно перенасыщение организма жирорастворимыми витаминами (А, D). Стойкое повышение содержания ионов кальция в цитоплазме клеток, отмечаемое при интоксикациях некоторыми веществами, сопровождается чрезмерной активацией ряда ферментов (см. ниже). Существенное влияние на активность ферментов оказывают вещества, блокирующие процессы их разрушения. Все белковые молекулы в организме имеют определенное время жизни. Процессы непрерывающегося синтеза уравновешиваются столь же постоянным разрушением белка. Период полусуществования молекул ферментов колеблется в широких пределах. Например, для альдолазы мышечной ткани крыс он составляет около 20 дней, для каталазы - 1 день, для триптофанпирролазы печени - 2 часа. В процессе разрушения ферментов принимают участие протеазы и эндопептидазы. Разрушение короткоживущих белков осуществляется также энзимами аппарата Гольджи. Ингибиторами разрушения ферментов (и других белков) являются ингибиторы протеаз/пептидаз. К их числу, относятся некоторые карбамилфосфаты. Разрушение SH-содержащих ферментов иногда начинается с окисления этих групп. Ксенобиотики с высоким восстановительным потенциалом, защищая сульфгидрильные группы, могут предотвращать разрушение ферментов. Эти эффекты также могут лежать в основе токсического процесса. Особую роль в токсикологии играют механизмы активации лизосомальных ферментов, вызывающих, при выходе в цитоплазму, аутолиз клеток. Посредством такого механизма действуют на организм многочисленные вещества, например, иприты, СCl4, и т.д. Угнетение каталитической активности Снижение активности ферментов при действии токсикантов может быть следствием трех эффектов: подавления процессов синтеза апофермента и кофакторов, активации разрушения, угнетения специфической активности. К числу наиболее распространенных кофакторов, помимо металлов, относятся железопорфирины, флавины, никотинамид-адениндинуклеотид (НАД), пиридоксальфосфат, тиаминпирофосфат и др. Отчасти эти вещества синтезируются в организме животных и человека, отчасти попадают с пищей в форме витаминов. Некоторые вещества являются конкурентами кофакторов ферментов. Так, дикумарол конкурентно препятствует утилизации печенью витамина К, необходимого для синтеза протромбина, поэтому через 24 - 96 ч после поступления вещества в организм в токсических дозах возможно развитие кровотечений угрожающих жизни. Некоторые токсиканты нарушают образование коферментов, предшественники которых поступают в организм с пищей. Так, гидразин и его производные, взаимодействуя с пиридоксалем, содержащимся в клетках, образуют пиридоксальгидразоны, которые, в свою очередь, угнетают активность пиридоксалькиназы и блокируют тем самым синтез в организме пиридоксальфосфата. В итоге понижается активность большого числа ферментов, кофактором которых является пиридоксальфосфат (декарбоксилазы, трансаминазы и т.д.). К числу полностью синтезируемых в организме кофакторов относятся железопорфирины. Блокада их синтеза приводит к тяжелым последствиям. Так, хроническое отравление свинцом сопровождается нарушением синтеза гема, вследствие чего развивается дефицит гемопротеинов (гемоглобина, миоглобина, гемсодержащих ферментов). Активация процесса разрушения ферментов токсикантами, как механизм их токсического действия, встречается редко. Катаболизм некоторых ферментов усиливается на фоне хронической интоксикации стероидными препаратами и их аналогами. Наиболее часто в основе интоксикации лежит угнетение токсикантом специфической активности ферментов. Выделяют следующие механизмы ингибиторного действия ксенобиотиков: 1. Конкурентное ингибирование. В основе взаимодействия лежит конкуренция ксенобиотика с субстратом за активный центр фермента. При этом реализуются две возможности: а) токсикант вступает в превращение вместо субстрата (конкурентные субстраты). Так, некоторые эфиры холина (пропионилхолин, бутирилхолин и др.) гидролизуются ацетилхолинэстеразой вместо ацетилхолина. Конкурентным ингибитором аконитазы, одного из ферментов цикла трикарбоновых кислот, участвующих в превращении лимонной кислоты в аконитовую, является фторлимонная кислота, образующаяся в процессе метаболических превращений фторуксусной кислоты. б) взаимодействие токсиканта с активным центром не приводит к его метаболизму (стабильные ингибиторы). Примерами таких токсикантов являются карбаматы - ингибиторы холинэстеразы. Конкурентный тип ингибирования развивается также при образовании прочных ковалентных связей между токсикантами и активными центрами некоторых ферментов. Этот вид ингибирования приводит к полному прекращению ферментативной активности. Таким способом фосфорорганические соединения взаимодействуют с ацетилхолинэстеразой. 2. Неконкурентное ингибирование. В данном случае токсикант взаимодействует с добавочным, аллостерическим, центром энзима, изменяя при этом конформацию активного центра и снижая, тем самым, его сродство к субстрату. Таким способом упомянутая выше фторлимонная кислота угнетает активность транслоказы, фермента, обеспечивающего активный транспорт цитрата через мембраны митохондрий, а мышьяк и его соединения - SH-содержащие энзимы. 3. Другие механизмы. Для осуществления ферментативной активности энзимы нуждаются в присутствии в среде ионов металлов: Mg2+, Ca2+, K+, Mn2+, Zn2+, Co2+ и др. Связывание этих металлов токсикантами приводит к угнетению активности. Таков механизм токсического действия комплексообразователей (ЭДТА, ДТПА, дитизона и др.), салициловой кислоты и др. Особое токсикологическое значение имеют вещества, взаимодействующие с железом, кобальтом, медью, входящими в структуру более сложных простетических групп ферментов (гем-содержащие энзимы, цитохромы, каталаза, пероксидаза, гемоглобин, миоглобин). К числу подобных токсикантов относятся цианиды, сульфиды, азиды, монооксид углерода и др. Некоторые ферменты находятся под постоянным контролем специальных кооперационных систем. Так, система Г—SH/Г—S—S—Г (восстановленный/окисленный глутатион) регулирует активность SH-ферментов (пирофосфатаза, фосфоглицеральдегид-дегидрогеназа, гемоглобинредуктаза и др.). Токсиканты, понижающие содержание восстановленного глутатиона в тканях, такие как гидроксиламин, фенилгидразин, дихлорэтан и др., подавляют активность этих ферментов. Одна из патохимических классификаций преимущественно ферментных ядов разработана А.А. Покровским (таблица 5.3). Таблица 5.3. Патохимическая классификация ядов МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ЯДОВ НА ФЕРМЕНТЫ ХАРАКТЕРНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ Структурные аналоги данного субстрата, взаимодействующие с ним по типу "конкурентного торможения" Фосфорорганические соединения и другие антихолинэстеразные соединения, циклосерины, галоидопроизводные пиримидина и др. Предшественники структурных аналогов субстрата, из которых образуются ингибиторы ферментов в процессе "летального синтеза" Фторацетат, хлорацетат, галоидсодержащие производные пиримидина и пурина, метиловый спирт, этиленгликоль и др. Структурные аналоги коферментов, антивитамины. Конкурентное торможение Антивитамины РР, В6 и др. Соединения, тормозящие биосинтез ферментов. Крнкурентное торможение; в отдельных случаях неконкурентное Структурные аналоги природных аминокислот (фторфенилаланин, азатриптофан и др.), некоторые антибиотики: пенициллин, левомицетин, ауреомицин и др. Соединения, блокирующие функциональные группы белка или кофермента. Неконкурентное торможение Цианиды, сероводород, оксид углерода, метгемоглобинообразователи, соединения, связывающие SH-группы и др. Соединения, нарушающие связи атомов металлов в молекуле фермента Хелатирующие соединения: ЭДТА, ДТПА, 8-оксихинолидин и т.п. Соединения, разобщающие сочетанную деятельность ферментов Разобщители клеточного дыхания и окислительного фосфорилирования (динитрофенол), фториды, некоторые наркотики и др. Соединения, денатурирующие белок (грубое нарушение структуры белковой молекулы) Крепкие кислоты, щелочи, тяжелые металлы, органические растворители и др. Биологические яды, содержащие ферменты, разрушающие структурные элементы клеток и тканей, образующие в организме токсичные вещества Яды змей и насекомых, бактериальные токсины Аналоги медиаторов Ингибиторы моноаминоксидазы и др. Биологические последствия действия токсических веществ на ферменты. Поскольку все процессы в живых организмах протекают при участии ферментов, и все фундаментальные свойства живых систем неразрывно связаны с нормальным течением этих процессов, теоретически любые проявления жизни могут быть нарушены теми или иными токсикантами, изменяющими активность ферментов. |