Застосування ферментів у медицині
Успіхи
сучасної біохімії в з'ясуванні фундаментальної природи життя і молекулярних
основ патології, включаючи спадкові хвороби людини, а також у визначенні
структури та функції білків і нуклеїнових кислот в значній мірі
обумовлені широким впровадженням в біохімію досягнень фізики, хімії та
математики.
Цей
союз з точними науками дозволив не тільки розробити методологічні підходи
для більш глибокого вивчення будови і функцій індивідуальних хімічних
компонентів живої матерії на молекулярному рівні, а й сприяв розвитку
нових напрямків у біохімії, включаючи молекулярну біологію, біоорганічної
хімію і ензимології.
Вчення
про ферменти - ензимології - перетворилося на самостійно і інтенсивно
розвивається область знання. Російські вчені (академіки В. А. Енгельгардт,
А.Е. Браунштейн, С.Р. Мардашев, І.В. Березін та ін) внесли великий внесок у
світову науку в галузі вивчення структури і функцій ферментів, механізмів
ензиматичного каталізу і регуляції активності та синтезу ферментів; це
сприяло суттєвому покращенню методів діагностики, лікування та профілактики
захворювань людини.
Перш
ніж стосуватися медичних проблем ензимології, коротко перерахуємо основні
функції ферментів не тільки в організмі людини і тварин, але і в окремій
живій клітині. Основною і, може бути, головною функцією ферментів є їх
здатність різко підвищувати (в десятки і сотні мільярдів разів) швидкість
хімічних реакцій, тобто ферменти виконують роль каталізаторів величезного
числа хімічних реакцій, здійснюваних щомиті у всіх живих системах.
Більш того, ферменти є регуляторами швидкості хімічних реакцій, строго
контролюючи процеси синтезу та розпаду індивідуальних хімічних компонентів
клітини і всього організму в цілому. Завдяки цій властивості ферментів живі
системи зберігають постійність внутрішнього середовища (так званий гомеостаз); вони
відрізняються від сучасних великих промислових виробництв не потужністю або
навіть не вантажопідйомністю, а високою ефективністю, економічністю,
раціональністю та ювелірної точністю результатів у мікропросторі клітини (ніяких
побічних продуктів, ніяких відходів, що забруднюють навколишнє середовище).
Ферменти
виконують важливі захисні функції, знешкоджуючи як екзогенні (які надходять з
зовнішнього середовища), так і ендогенні (що утворюються в самому організмі) токсичні
речовини; останні піддаються під дією ферментів різних реакцій
окислення, відновлення і, нарешті, розпаду на продукти, що втрачають свої
токсичні властивості. Ця область дослідження отримала назву ксенобіохіміі.
Ферменти
використовуються, крім того, як інструменти для здійснення тонкого
хімічного органічного синтезу в легкої, харчової, мікробіологічної та
фармацевтичної промисловості (виробництво кормового білка, гормонів,
антибіотиків та інших лікарських препаратів і L-амінокислот), а також у
геноінженерний дослідженнях та біотехнології.
Торкаючись
медичних проблем вчення про ферменти, слід перш за все підкреслити, що
один з перспективних напрямків дослідження ферментів - медична
ензимології - з'явилося логічним розвитком загального біологічного вчення про
ферменти. До теперішнього часу отримані переконливі докази, що
сучасна біологія та медицина розмовляють мовою ензимології і що можливості
застосування ферментів у медицині теоретично безмежні [1, 2]. Зокрема,
чітко визначилися три основні напрямки досліджень у галузі медичної
ензимології: ензімопатологія, ензімодіагностіка і ензимотерапія. За цими
проблем скликаються національні та міжнародні конференції, симпозіуми і
конгреси, видаються наукові журнали (наприклад, "Питання медичної
хімії "), публікуються щорічні збірники (Advanses in Clinical Enzymology,
Annual Reports in Medical Chemistry) і т.д. Відзначимо також, що в кожній з
зазначених областей медичної ензимології є не тільки власні цілі і
конкретні завдання, але й особливі методологічні підходи та методичні прийоми.
Нижче будуть коротко викладені наші уявлення про першого напрямку медичної
ензимології, зокрема ензімопатологіі, і більш докладно про використання ферментів
для діагностики органічних і функціональних уражень організму та окремих
органів при патології.
Область
дослідження ензімопатологіі, хоча і включає назву патології (вчення про
причини і механізми розвитку хвороб), насправді є теоретичної,
фундаментальною частиною медичної ензимології. Вона покликана вивчати
молекулярні основи розвитку патологічного процесу, що базуються на даних
порушення механізмів регуляції активності або синтезу індивідуального ферменту,
або групи ферментів. Ферменти виконують не тільки унікальні каталітичні
функції, але і, володіючи вираженою органотропностью і високою специфічністю
дії, можуть бути використані в якості найбільш тонких і виборчих
інструментів для спрямованого впливу на патологічний процес. Як
відомо, із понад двох тисяч спадкових хвороб людини молекулярний
механізм розвитку з'ясований тільки у двох - трьох десятків. Найчастіше розвиток
хвороби безпосередньо пов'язане із спадковою недостатністю або повним
відсутністю синтезу одного-єдиного ферменту в організмі хворого.
Типовим
прикладом подібної зв'язку хвороби з відсутністю синтезу в печінці специфічного
ферменту є фенілпіровіноградная олігофренія - спадкове
захворювання, що приводить в ранньому дитинстві до загибелі дитини або до розвитку
важкої розумової відсталості. Молекулярний дефект хвороби полягає в
блокуванні перетворення незамінної амінокислоти фенілаланіну (Фен) в тирозин
(Тир) згідно з рівнянням
Виявилося,
що фермент, що каталізує дану реакцію, - Фен-4-гідроксилази, точніше
Фен-4-монооксігеназа, - не синтезується в клітинах печінки, єдиному органі,
де він в нормі відкритий. Наслідком цього молекулярного порушення обміну
фенілаланіну є розвиток важкого спадкового захворювання,
обумовленого надлишковим накопиченням самого фенілаланіну та продуктів його
побічного шляху обміну - фенілпіровіноградной кислоти (звідси і назва
хвороби) - в організмі, зокрема у тканині мозку і сироватці крові хворих дітей.
Звичайно діагноз ставлять на підставі хімічного методу відкриття фенілаланіну або
фенілпіровіноградной кислоти на пелюшках дітей. Лікування в основному зводиться до
виключення з харчування дитини (у тому числі і з молока матері) амінокислоти
фенілаланіну [4]. Для такої дитини тирозин (див. відмінності у формулах)
виявляється незамінною амінокислотою.
Аналогічно,
розвиток іншого важкого спадкового захворювання - галактоземия, тобто
непереносимість молочного цукру, пов'язано з відсутністю синтезу в клітинах
печінки ферменту, який каталізує перетворення галактози в глюкозу. Наслідком
подібної аномалії є накопичення галактози в тканинах і розвиток катаракти в
ранньому дитинстві, ураження тканин печінки і мозку, що нерідко призводять до загибелі
дитини; лікування в цьому випадку зводиться до виключення з дієти молочного цукру.
Крім
спадкових захворювань, ензімопатологія успішно вирішує і проблеми
патогенезу соматичних хвороб, не стільки причинних факторів, що викликають
розвиток хвороби, скільки механізмів розвитку найбільш поширених
хвороб людини. Зокрема, організовані великі наукові центри та
Науково-дослідні інститути (Онкологічний науковий центр РАМН,
Кардіологічний науковий центр РАМН, НДІ ревматології РАМН), в завдання яких
входить з'ясування молекулярних основ, наприклад, злоякісного росту,
артеріосклерозу або ревматоїдних артритів. Неважко уявити величезну роль
ферментних систем або навіть окремих ферментів, порушення регуляції активності
або синтезу яких призводить до розвитку, формування патологічного процесу.
Друге
напрям наукових досліджень в галузі медичної ензимології --
ензімодіагностіка - покликане займатися розробкою ферментних тестів,
заснованих на визначенні активності (рівня) ферментів і ізоферментів в
біологічних рідинах організму хворого (сироватка крові, шлунковий або
дуоденальний сік, спинномозкова рідина, сеча та ін.) Ці дослідження
розвиваються в двох напрямках: по-перше, по шляху пошуку органотропних або
тканетропних ферментів, специфічних для певного органу, групи органів
або цілісного організму людини, по-друге, шляхом вдосконалення вже
описаних в літературі методів визначення активності ферментів у біосредах.
Діагностична
ензимології досягла величезних успіхів, допомагаючи лікареві не тільки у постановці
правильного діагнозу захворювання та з'ясування ступеня тяжкості хвороби, а й у
визначенні правильності обраного методу лікування. В даний час
розроблені кількісні методи аналізу багатьох поширених ферментів,
виявляються в біологічних рідинах при ураженні різних органів. Для кожного
з цих ферментів визначені контрольні величини (рівні) активності і межі
коливання в нормі як у сироватці крові, так і в самому органі [3, 4].
В
Як приклад можна послатися на результати визначення активності двох
трансаміназ: аспартатамінотрансферази (в клінічній літературі більше
відомої як глутамат-оксалоацетат-трансаміназ - GOT) і
аланінамінотрансферази (глутамат-піруват-трансамінази - GPT); величини
активності цих ферментів в сироватці крові в нормі коливаються між 5 - 40
міжнародними одиницями. При серцевій недостатності, при ішемічній
хвороби серця активність обох трансаміназ у сироватці крові хворого лише
злегка, хоча і статистично достовірно, підвищується, а проте при настанні
інфаркту міокарда вже через 20 хвилин активність обох трансаміназ у сироватці
крові різко, в десятки і сотні разів, перевищує рівні контрольних величин в
крові здорової людини [3].
Необхідно
вказати, що, крім трансаміназ сироватки крові, при інфаркті міокарда вельми
інформативними діагностичними ферментними пробами є
лактатдегідрогеназний і креатінфосфокіназний тести, що відносяться також до так
званим некротичним ферментним методам. Це означає, що при пошкодженні
і розпад частини серцевого м'яза внаслідок закупорки коронарної артерії тромбом
з обескровленной зони вимиваються в кров продукти розпаду, включаючи ферменти.
Зазначимо також, що при успішному результаті хвороби рівні ферментів в сироватці
крові повертаються до норми вже до 2 - 3-го дня після інфаркту. У той же час
при повторному інфаркті міокарда, наступаючому звичайно протягом першого тижня
хвороби, електрокардіограма зазвичай не вловлює повторного інфаркту, тоді
як ферментні тести реагують повторним і різким підвищенням рівня їх у
сироватці крові.
Діагностична
цінність ферментів істотно підвищилася після впровадження в клінічну
практику методів визначення ізоферментів, що розрізняються переважно різної
електрофоретичної рухливістю, хоча і наділених однаковою біологічної
активністю [3]. У зв'язку з цим варто більш докладно розглянути
діагностичну значимість двох ферментів, визначення ізоферментних спектрів
яких впроваджено майже в усіх лабораторіях клінічної хімії світу.
Першим
з них є згадувана вище лактатдегідрогеназа (ЛДГ), яка
каталізує зворотне перетворення піровиноградної кислоти на молочну кислоту
по рівнянню
Слід
підкреслити, що ЛДГ є ключовим ферментом анаеробного обміну вуглеводів
у всіх живих організмах, визначаючи швидкість утворення енергії у вигляді
аденозинтрифосфату (АТФ).
ЛДГ
- Широко поширений фермент, він синтезується майже у всіх клітинах
організму людини [3]; розрізняють два типи ЛДГ: так званий серцевий тип,
позначуваний H-тип (від англ. heart), і м'язовий тип, що позначається M-тип (від
англ. muscle), кожен з них складається з чотирьох субодиниць, що позначаються
відповідно цифрами. Якщо в молекулі ЛДГ всі чотири субодиниці представлені
H-типом, її позначають ЛДГ H4; якщо все субодиниці складені з M-типу,
тоді фермент позначають M4. Оскільки в клітинах завжди містяться обидва типи
молекул H і M, сумарно чотири субодиниці будуються як з H-, так і з
M-типів. Таким чином, розрізняють 5 ізоферментів ЛДГ, складених з наступних
типів H і M:
H4
, H3M1, H2M2, H1M3 і M4;
відповідно
вони позначаються: 1 -, 2 -, 3 -, 4 - і 5-й ізоферменти ЛДГ.
При
органічному ураженні серцевого м'яза, наприклад при інфаркті міокарда, в
сироватці крові різко підвищується рівень не тільки загальної лактатдегідрогенази,
але, що дуже важливо для точності діагнозу, це підвищення переважно
обумовлено ізоферментами 1 і 2, відповідно H4 і H3M1.
З
іншого боку, при ураженнях скелетної мускулатури, а також при
запальних процесах печінки (гепатити) або при вірусних ураженнях тканини
печінки [4], і нарешті, при отруєнні чотирьоххлористим вуглецем або іншими
отрутами, коли переважно вражається печінка, викликаючи некроз тканини [3, 4],
ізоферментний спектр переміщається зліва направо (тобто рівні 5 і 4
ізоферментів ЛДГ різко підвищуються при майже незмінному рівні 1 та 2
ізоферментів). Ці результати дуже важливі для лікуючого лікаря, який на
підставі головним чином клінічної картини хвороби, лабораторних даних,
електрофоретичної картини спектрів ЛДГ ставить остаточний діагноз і
приступає до лікування хворого. Природно, що методи лікування будуть різко
відрізнятися, і у виборі цих методів чималу роль відіграє ізоферментний спектр
ЛДГ серцевого або м'язового типу.
Другим
ферментом, діагностична цінність якого ще вище, особливо при
інфаркті міокарда [3, 4], є креатинфосфокінази (КФК), що каталізує
біосинтез креатинфосфату з креатину та АТФ у відповідності з рівнянням
креатинфосфокінази
- Ключовий фермент біосинтезу макроергічні (наділеного або містить
високий енергетичний потенціал) субстрату - креатинфосфату, що грає разом
з АТФ видатну роль у біоенергетики серцевого м'яза і всього організму.
Виявилося, що молекула КФК також складається з двох типів субодиниць: з M-типу
(тобто м'язовий тип, від англ. muscle) і B-типу (тобто мозковий; від англ.
brain); відповідно виділені і охарактеризовані три ізоферменту КФК, які
позначаються латинськими літерами: MM-ізофермент (м'язовий тип), переважно
характерний для поперечно-смугастої мускулатури, BB-ізофермент (мозковий тип,
переважно міститься в тканини мозку) і змішаний тип, що позначається
MB-ізоферментом, який міститься тільки в серцевому м'язі.
Враховуючи
ці дані, зокрема органотропность ізоферментів КФК, при органічних або
функціональних поразках цих тканин в сироватці крові хворого з'являються в
нормі відсутні ізоферменти КФК, і, відповідно, вони відкриваються при
електрофорезі.
На
нашій кафедрі В.П. Сараєв і Ф.Б. Левін досліджували сироватку крові хворих
інфарктом міокарда в динаміці з першої години настання хвороби і показали,
що загальна активність ЛДГ різко підвищується вже через 0,5 години і тримається на цьому
високому рівні до 2 - 3 днів, а в окремих хворих - до 4 днів; після гострого
періоду величини ЛДГ швидко приходять до норми, хоча ізоферментний спектр ЛДГ все
ще зберігає серцевий тип до 7 - 8 діб. Зазначимо також, що у всіх випадках
інфактов міокарда, включаючи благополучні випадки, В.П. Сараєв і Ф.Б. Левін
визначали активність ще одного ферменту - гамма-глутамілтрансферази - в
сироватці крові. Виявилося, що активність цього ферменту повільно підвищується
при настанні інфаркту, але високі рівні його з'являються в крові лише на 10
- 14-у добу після настання інфаркту. На думку багатьох клініцистів,
гамма-глутамілтрансферазний тест сироватки крові може служити важливим
постінфарктним ферментним тестом. Наявні дані свідчать про те, що
некротизованих зона серцевого м'яза швидше за все не є джерелом
гамма-глутамілтрансферази, оскільки вимивання тканини при інфаркті наступає вже
в перші 10 - 15 хвилин. Більш ймовірно припущення, що в процесі загоєння
і заповнення некротизованої зони нормальної м'язової тканиною в постінфарктному
періоді відбувається посилена васкуляризація (розвиток судинної мережі); в
ендотелії?? Бразилії в цій зоні судин відкрито підвищена кількість (по
активності) гамма-глутамілтрансферази, що, очевидно, може служити джерелом
підвищений вміст цього ферменту в сироватці крові хворих на інфаркт
міокарда.
Діагностична
ензимології досягла значних успіхів при постановці діагнозу хвороб не
тільки зазначених органів, а й інших, зокрема нирок, підшлункової залози,
шлунку, кишечника і легень [2]. Широко використовують в клінічній практиці,
наприклад, визначення трансамідінази в сироватці крові - ферменту, відкритого
тільки у тканині нирок і підшлункової залози; або визначають активність ферменту
гістідази, виявленого тільки в клітинах печінки та епідермісу шкіри.
Відповідно, при органічних поразках цих органів, запальних
процесах, травмах, хірургічних втручаннях в сироватці крові хворих
з'являються зазначені ферменти, в нормі відсутні в сироватці.
Природно,
що тут представлені лише окремі приклади з великої кількості ферментів,
що визначаються у клініці, і описані тільки деякі хвороби з відомих майже
10 тисяч хвороб людини. Однак і з цих прикладів можна зробити висновок,
що ферментна діагностика може служити основою не тільки для постановки
правильного і, що найголовніше, своєчасного діагнозу хвороби, а й для
перевірки ефективності застосовуваного методу лікування.
Володіючи
високою специфічністю дії, ферменти застосовуються як самих тонких і
виборчих інструментів в направленому впливі на перебіг будь-якої
патології. Про ступінь ураження органів, біомембран клітин і субклітинних
структур, про тяжкість патологічного процесу можна судити з появи (або
різкого підвищення рівня) органотропних ферментів і ізоферментів в сироватці
крові хворих, що становить предмет діагностичної ензимології.
Список літератури
Браунштейн
А.Е. На стику хімії та біології. М., 1987.
Мардашев
С.Р. Біохімічні проблеми медицини. М., 1975.
Зільва
М., Пеннел Г. Клінічна хімія в діагностиці та лікуванні. М.: Медицина, 1984.
Панченко
Н.І., Гусева Н.Р., Масленнікова Н.К. и др.// Лаб. діагностика. 1993. № 4. С.
37 - 41
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.pereplet.ru
