Энзимология

Энзимоло́гия — это раздел биохимии, который исследует строение, функционирование и способы регуляции активности ферментов. Энзимология (греч. от слова «энзим» и греческого «logos») — означает учение или науку, является одной из ключевых областей современной биохимии. Её задачей является описание свойств и структуры ферментов, а также анализ процессов катализа. Кроме того, энзимология изучает механизмы регуляции активности ферментов, которые играют важную роль в жизнедеятельности всех типов клеток.

История

В начале научного изучения ферментов выделяются работы Эдуарда Бухнера и Марии Манасеиной, которые подтвердили химическую основу ферментов. Критическим моментом для развития энзимологии стала формулировка основ ферментативной кинетики в начале XX века. Тьерри Анри, Леонор Михаэлис и Питер Ментен предположили, что образуется промежуточный фермент-субстратный комплекс на начальной стадии ферментативной реакции, что послужило основой для математической моделирования. Следующий этап связан с идеей Эмиля Фишера о структурном соответствии фермента и субстрата, что объясняет специфичность ферментов. В последующие годы гипотеза Дэниела Кошленда о влиянии субстрата на структуру фермента дополнила эти взгляды.

В конце 1920-х годов наступил ключевой момент в истории энзимологии: впервые удалось получить кристаллические формы ферментов, таких как уреаза и пепсин, и доказать их белковую природу. Позднее выяснилось, что многие ферменты состоят из белковой части и небелковой простетической группы, иногда связанной с витаминами. С 1950 — 1960-х годов была раскрыта пространственная структура многих ферментов. А в 1969 году впервые был синтезирован фермент рибонуклеазы химическим путём.

Активность около 40 ферментов в крови, моче, фибробластах, эритроцитах и других тканях используется как важный диагностический тест. Изменения в активности ферментов при патологических состояниях могут являться как причиной заболевания (энзимопатия), так и его последствием. Кроме того, многие ферменты применяются в качестве химических реактивов для анализа состава тканей и жидкостей организма: например, уреаза используется для измерения уровня мочевины, глюкозооксидаза для определения уровня глюкозы, а холинэстераза для определения содержания фосфорорганических соединений.

Ферменты всё шире используются в лекарственных целях. Энзимология изучает их фармакологические свойства, разрабатывает методы иммобилизации ферментов на нейтральных носителях и прочее. В фармакотерапии растёт значимость ферментных препаратов на основе иммобилизованных ферментов (например, стрептокиназа, стрептодеказа) и ферментов, вводимых в организм с использованием липосом. Эти препараты используются для компенсации дефицита ферментов при заместительной терапии, например, при различных формах гастрита. Протеолитические ферменты применяют для лечения гнойно-воспалительных заболеваний или тромбозов. Курсы по энзимологии ведутся в университетах и медицинских институтах в нашей стране и за рубежом на кафедрах биохимии, физиологической химии и физиологии. Работы по проблемам энзимологии публикуются в различных научных изданиях по биохимии, молекулярной биологии, физике, физической химии, биофизике и другие.

Направления

Медицинская энзимология исследует применение ферментов в медицине и включает три основных направления:

• Энзимопатология — область науки, изучающая заболевания, вызванные дефектами ферментов. Они могут быть:

1. наследственными
2. приобретёнными.

• Энзимодиагностика — методы диагностики, основанные на изучении активности ферментов в организме.
• Энзимотерапия — использование ферментов в лечебных целях.

Энзимопатология

Исследует энзимопатии, которые представляют собой разновидность заболеваний, вызванных дефектами ферментов. Эти заболевания подразделяются на наследственные (первичные) и приобретённые (вторичные) формы. Наследственные энзимопатии — это заболевания, обусловленные унаследованными нарушениями процессов биосинтеза ферментов или изменениями их структуры и функционирования. При формировании фермента происходят структурные изменения, которые влияют на его каталитическую активность (чаще всего она утрачивается), чувствительность к активаторам и ингибиторам, аффинности к субстратам, оптимальным значениям pH и температуры. Это делает изучение ферментных констант ключевым при установлении диагноза в случае наследственных энзимопатий. Наследственные энзимопатии, связанные с нарушениями метаболизма, можно классифицировать следующим образом:

• Нарушения обмена аминокислот: такие как фенилкетонурия, альбинизм, алкаптонурия и другие.
• Нарушения углеводного обмена: например, галактоземия, наследственная непереносимость фруктозы, гликогенозы.
• Нарушения липидного обмена: как липидозы.
• Нарушения обмена нуклеиновых оснований: включая подагру, синдром Леш-Нихана и другие.
• Нарушения обмена в соединительной ткани: такие как мукополисахаридозы, хондродистрофия и другие.
• Дефекты ферментов в ЖКТ: например, муковисцидоз, целиакия, непереносимость лактозы и другие.
• Нарушения обмена стероидов и другие формы нарушений обмена веществ.

Приобретённые энзимопатии могут быть разделены на три категории: алиментарные, токсические и вызванные различными патологическими состояниями организма. Алиментарные энзимопатии возникают из-за изменений в количестве и активности ферментов, вызванных нарушениями в питании. Эти нарушения могут быть связаны с дефицитом или дисбалансом в поступлении:

• витаминов (гипо- или авитаминозы);
• макро- и микроэлементов;
• аминокислот;
• жирных кислот;
• других биологически активных веществ.

Заболевания, называемые токсическими энзимопатиями, возникают из-за изменения активности ферментов под воздействием токсичных веществ. В качестве токсичных веществ могут выступать различные ксенобиотики (например, соли тяжёлых металлов, пестициды, гербициды) и определённые метаболиты, такие как алкоголь, в высоких концентрациях. Эти токсичные вещества могут либо специфически подавлять активность ферментов (через денатурацию или ингибирование отдельных ферментов), либо угнетать синтез белка (и, как следствие, всех ферментов) в организме.

Энзимодиагностика

Энзимодиагностика — это методы диагностики различных заболеваний, патологических состояний и процессов, которые основаны на измерении активности ферментов в биологических жидкостях. Направления энзимодиагностики:

• определение активности органо-, органеллоспецифических ферментов и их изоферментов;
• определение активности ферментов и их констант (Km, t, pH);
• определение концентрации органических веществ с помощью ферментов.

Энзимотерапия

Энзимотерапия — это использование ферментов животного, бактериального или растительного происхождения, а также регуляторов активности ферментов в медицинских целях. Технологические прорывы в получении высококачественных и очищенных ферментных препаратов способствовали их успешному внедрению в современную клиническую практику.

Задачи

Энзимология занимается изучением ферментов и связанных с ними процессов. Ферменты — это разнообразные белки и нуклеиновые кислоты (РНК), способные катализировать различные биохимические реакции.

В области энзимологии можно выделить несколько направлений:

• анализ структуры ферментов, включая активные центры;
• изучение механизмов катализа;
• исследование регуляции активности ферментов и их взаимодействия с регуляторами;
• применение ферментов в различных сферах человеческой деятельности.

На сегодняшний день известно более 2000 различных ферментов, которые классифицируются на 6 классов:

• оксидоредуктазы;
• трансферазы;
• гидролазы;
• лиазы;
• изомеразы;
• лигазы.

Классы дополнительно делятся на подклассы и подподклассы. Многие ферменты были выделены в чистом виде, и для них изучена первичная (аминокислотная последовательность) и третичная (трёхмерная структура) структуры. Ферменты широко применяются в научных исследованиях (включая генную инженерию), биотехнологии, фармакологии, пищевой и текстильной промышленности, а также в других областях.

Первой попыткой стандартизации названий ферментов было предложение Жака Дюкло в 1898 году добавлять окончание «-аза» к слову, описывающему субстрат, на который воздействует фермент, за исключением отдельных пищеварительных ферментов, оканчивающихся на «-ин», например, трипсин, пепсин и другие. В 1960 — 1970-е годы XX века была разработана новая система названий и классификации ферментов (более 2 тысяч наименований). Недостаток определённых ферментов в организме приводит к отклонениям от нормального функционирования, что называется энзимопатиями. По классификации Александра Покровского, энзимопатии делятся на несколько типов: наследственные, токсические, алиментарные, вызванные нарушениями нейрогуморальной регуляции, а также связанные с нарушениями внутриклеточной организации ферментативных процессов.

Методы

Методы, применяемые в области энзимологии, можно разделить на три основные группы: первая — это методы выделения ферментов в чистом виде, вторая — связана с изучением механизмов катализа и кинетики ферментативных реакций, а третья — с исследованием структуры ферментов.

В первой группе важны такие распространённые методы, как фракционирование с использованием солей или органических растворителей и различные методы хроматографии. Современные подходы позволяют добиться практически полной очистки белков. В настоящее время многие ферменты производят в больших количествах путём синтеза с применением методов генетической инженерии (рекомбинантные белки) в специальных штаммах бактерий или клеточных культурах, однако в некоторых случаях эти подходы не подходят. Изучение кинетики ферментативных реакций позволяет создавать математические модели для анализа механизма катализа, исследовать влияние активаторов или ингибиторов ферментов, а также находить новые соединения, влияющие на активность ферментов. Для анализа кинетики реакций используют различные методы, такие как манометрия, вискозиметрия, поляриметрия, ЯМР, ЭПР и радиоактивная маркировка. При изучении структуры ферментов основным методом является рентгеноструктурный анализ, который позволяет определить трёхмерное расположение аминокислотных остатков в белках. Различные методы, включая круговой дихроизм, ЯМР, ЭПР и масс-спектроскопия, также используются для исследования структуры ферментов.

Примечания

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!