Передмова
В основі життєдіяльності організму лежать біохімічні перетворення різних речовин, швидкість і напрям яких визначають ферменти – біокаталізатори, що притаманні лише живим організмам.
Останніми роками ферменти набули широкого застосування у практичній і експериментальній медицині. Завдяки досягненням ензимології було відкрито й виділено ряд нових ферментів, вивчено їх роль у різних ланках метаболізму, стало можливим розкриття патогенезу багатьох захворювань на молекулярному рівні, створення ефективних методів діагностики, профілактики та лікування.
Основні напрями клінічної ензимології охоплюють:
вивчення ферментативних порушень у патогенезі різних захворювань – ензимопатологія;
використання ферментних методів для діагностики – ензимодіагностика;
використання ферментів у терапії – ензимотерапія;
використання ферментів у лабораторній практиці як високоспецифічних аналітичних реактивів.
Успіхи ензимодіагностики значною мірою залежать від таких факторів: найбільш раціонального добору спектра ферментів, вимірювання активності яких характерне для патології певних органів і тканин; диференційованого добору біологічного матеріалу для дослідження ферментів; правильного добору методу для визначення активності ферменту та якість його виконання; правильної інтерпретації отриманих результатів з урахуванням індивідуальних фізіологічних коливань ферментативної активності.
У посібнику подано загальну характеристику ферментів, які мають діагностичне значення, наведено зміни активності ферментів сироватки крові та інших біологічних рідин при різних патологіях, велику увагу приділено ферментативним констеляціям, які найбільш інформативно відображають сутність тих або інших біохімічних порушень.
Список скорочень
ААП – аланінамінопептидаза
АДГ – алкогольдегідрогеназа
АлАТ – аланінамінотрансфераза
АсАТ – аспартатамінотрансфераза
ВЖК – вільні жирні кислоти
ГБДГ – α-гідроксибутиратдегідрогеназа
ГГТП – γ-глутамілтранспептидаза
ГлДГ – глутаматдегідрогеназа
ГПО – глутатіонпероксидаза
ГР – глутатіонредуктаза
Г6ФДГ – глюкозо-6-фосфатдегідрогеназа
ДАО – діамінооксидаза
ІДГ – ізоцитратдегідрогеназа
КК – креатинкіназа
КФ – кисла фосфатаза
ЛАП – лейцинамінопептидаза
ЛДГ – лактатдегідрогеназа
ЛФ – лужна фосфатаза
МАО – моноамінооксидаза
МДГ – малатдегідрогеназа
НАГ – N-ацетил-β-гексозамінідаза
5’-НТ – 5’-нуклеотидаза
ОКТ – орнітинкарбамоїлтрансфераза
ПСА – простатоспецифічний антиген
СДГ – сорбітолдегідрогеназа
СОД – супероксиддисмутаза
ФДФА – фруктозодифосфатальдолаза
Ф-1-ФА – фруктозо-1-фосфатальдолаза
ХЕ – холінестераза
1. Загальна характеристика ферментів. Ізоферменти
Ферменти – це високомолекулярні органічні сполуки білкової природи, що здатні прискорювати перебіг біохімічних реакцій. Вони виробляються клітинами організму, з яких потрапляють у плазму, сечу, травні соки або в результаті фізіологічних процесів, або як наслідок захворювання. Кожен орган виробляє певний набір ферментів, зміна їх умісту в біологічних рідинах є характерною ознакою ушкодження органа. На цьому базується використання визначення ферментів у клінічній лабораторній діагностиці.
Як каталізатори ферменти мають такі властивості: вони діють у найменших кількостях; виходять із реакції незміненими; при збільшенні активності не впливають на стан рівноваги реакції, а лише прискорюють його встановлення. Ферменти мають усі властивості, характерні для білків. Велике значення має лабільність структури ферменту. Її зміна, або денатурація, веде до втрати ферментативної активності. Крім того, стабільність ферментів залежить від температури, концентрації водневих іонів (рН) і концентрації буфера. Білки є полівалентними електролітами та містять здатні до іонізації групи. Іонізаційний стан впливає на активність ферменту і залежить від рН. Будучи електролітами, білки переміщуються в електричному полі: позитивно заряджені молекули рухаються до катода, негативно заряджені — до анода. Чим вищий заряд, тим швидшим є рух молекули. Внаслідок цього суміш білків із різними зарядами можна розділити методом електрофорезу, що і застосовується при розділенні ізоферментів.
Ізоферменти — це субстратспецифічні ферменти, що каталізують одну й ту саму біохімічну реакцію, відрізняються величиною молекулярної маси, амінокислотним складом, електрофоретичною рухливістю, термостабільністю, оптимумом рН, дією на них активаторів та інгібіторів, а також імунологічними характеристиками. Як правило, це олігомерні білки, що утворені різними протомерами, які кодуються різними генами. Часто певна тканина синтезує переважно один із протомерів. Активний олігомерний фермент може бути побудований із таких протомерів у різних комбінаціях, у результаті чого утворюються ізоферментні форми. Таким чином, різні форми ферментів можуть відрізнятися за органом, у якому вони переважно синтезуються (печінка, серце, мозок та ін.), за локалізацією в клітині (мітохондрії, цитоплазма і т. п.), а також за генною структурою індивідуума.
На рисунку 1 наведено комбінації протомерів для ізоферментів КК і ЛДГ.
(а) (б)
Рисунок 1 – Ізоферменти КК (а) та ЛДГ (б)
При ушкодженні тканин ізоферменти надходять у кров та інші біологічні рідини, в результаті чого їх ізоферментний набір стає близьким до тканинного. Цей процес лежить в основі використання ізоферментів у діагностиці та дає можливість із великою достовірністю встановити локалізацію патологічного процесу, що є особливо цінним при нерізко вираженій патології. Дослідження ізоферментів має переваги перед визначенням загальної активності ферментів, оскільки має одночасно більші чутливість і специфічність. Ізоферментні спектри широко використовуються при різних видах патології, перш за все в гепатології, кардіології, при захворюваннях нирок, підшлункової залози, легень, скелетних м’язів, в онкології, гематології та ін.
До ферментів, що існують у вигляді ізоферментів, належать амінотрансферази, лактат-, малат-, глутамат-, алкоголь-, ізоцитратдегідрогенази, альдолаза, амілаза, ліпаза, холінестераза, лужна фосфатаза, креатинкіназа та ін.
Залежно від віку, статі, фізичного стану людини в організмі встановлюється те або інше співвідношення ізоферментів, якому відповідає певний рівень активності в цілому. Зміна співвідношення ізоферментів в організмі або в окремих його органах і тканинах є одним із шляхів регуляції метаболічних процесів.
2. Використання ферментів у клінічній практиці
У клініці ферменти застосовуються для вирішення таких завдань:
установлення раннього діагнозу;
проведення диференціального діагнозу;
оцінювання динаміки перебігу захворювання;
визначення ефективності лікування;
оцінювання ступеня видужання;
із прогностичною метою.
Для ранньої діагностики ряду захворювань використання ферментів виявилося більш інформативним, ніж застосування інших біохімічних тестів. Так, зміна активності АлАТ, АсАТ, альдолази при інфекційному гепатиті виявляється значно раніше, ніж зміни таких біохімічних показників, як білірубін, тимолова проба, білкові фракції та ін. Підвищення активності ЛФ при рахіті, а КК та АсАТ – при інфаркті міокарда успішно використовується для ранньої діагностики цих захворювань.
Для ранньої діагностики захворювань при масових обстеженнях можна обмежитися декількома найчутливішими та найінформативнішими ферментними тестами. Наприклад, для виявлення вірусного гепатиту достатньо дослідити лише АлАТ, для виявлення отруєнь фосфорорганічними сполуками – холінестеразу, для встановлення носіїв у сім’ях хворих на прогресуючу м’язову дистрофію – КК.
Використання ферментів (АсАТ, АлАТ, ЛФ, ГГТП) для диференціальної діагностики, подібних за клінічними проявами механічної та паренхіматозної жовтяниць, значно покращило діагностичні можливості.
Використання органоспецифічних ферментів та ізоферментів є одним із вирішальних критеріїв при встановленні діагнозу. Прикладом може бути використання СДГ для розмежування печінкової та обтураційної жовтяниць, КК та АсАТ – для диференціації інфаркту міокарда і стенокардії.
Ферменти є надійними критеріями, здатними характеризувати період захворювання (гострий, хронічний). Часто активність ферментів змінюється до прояву клінічних ознак загострення хвороби, наприклад, підвищення АлАТ передує збільшенню вмісту білірубіну, погіршенню самопочуття хворого.
Ферменти успішно використовують в клінічній практиці для оцінки ефективності лікування, ступеня виздоровлення, прогнозу. Відсутність зміни активності ферментів на фоні застосування лікарських препаратів та інших методів лікування свідчить про їх низьку ефективність. При оцінці ступеня виздоровлення ферменти виявилися більш інформативними показниками порівняно з іншими біохімічними тестами. Так, визначення активності АсАТ та АлАТ більш достовірно відображає ступінь репаративних процесів у печінці при гепатиті, ніж уміст білірубіну.
Багато ферментів використовують у клініці для прогнозування результату хвороби. Наприклад, постійне зниження активності ХЕ при хронічному гепатиті свідчить про прогресування процесу й несприятливий прогноз. Різке зниження активності амінотрансфераз на фоні збільшення вмісту білірубіну свідчить про виснаження тканинних джерел ферментів за рахунок тяжкого ушкодження паренхіми печінки.
3. Класифікація ферментів плазми крові
У 1961 році на V Міжнародному біохімічному з’їзді було прийнято єдину номенклатуру й класифікацію ферментів, згідно з якою ферменти поділяються за характером каталізованих ними реакцій на 6 основних класів:
1. Оксидоредуктази – ферменти, що каталізують окисно-відновні реакції. До них належать дегідрогенази й оксидази: ЛДГ, МДГ, ІДГ, СДГ, ГлДГ, цитохромоксидаза, каталаза, пероксидаза та ін.
2. Трансферази – ферменти, що здійснюють перенесення різних хімічних радикалів від донора на акцептор. До цього класу належать аміно-, фосфо-, глюкозил-, ацилтрансферази та ін.
3. Гідролази – ферменти, що каталізують процеси гідролітичного розщеплення субстратів. До цього класу належать пепсин, трипсин, хімотрипсин, карбокси-, амінопептидази, колагеназа, еластаза, РНКаза, ДНКаза, ліпаза, амілаза, фосфатази, ХЕ, ЛАП та ін.
4. Ліази – ферменти, що каталізують реакції відщеплення хімічних груп негідролітичним шляхом. До цього класу належать усі альдолази, піруватдекарбоксилаза та ін.
5. Ізомерази – ферменти, що каталізують внутрішньомолекулярне перенесення хімічних радикалів із утворенням ізомерів. До цього класу належать глюкозо-, тріозофосфатізомерази та ін.
6. Лігази – ферменти, що здійснюють реакції синтезу, які супроводжуються поглинанням енергії. До цього класу належать глутамат-, глікоген-, гемсинтетази та ін.
У сироватці крові виділяють три групи ферментів:
1) клітинні;
2) секреторні;
3) екскреторні.
Клітинні ферменти надходять у кров із органів і тканин у результаті фізіологічного старіння та відмирання клітин або підвищення проникності клітинних мембран. У крові ці ферменти не виконують специфічних функцій.
Рівень активності окремих клітинних ферментів у сироватці крові залежить від концентрації їх у тканинах, молекулярної маси, внутрішньоклітинної локалізації, а також від швидкості їх гідролітичного розщеплення й елімінації. Залежно від локалізації у тканинах клітинні ферменти поділяють на неспецифічні й органоспецифічні. Активність перших виявляється в усіх органах і тканинах, тому за збільшенням їх сироваткової активності важко судити про локалізацію первинних патологічних змін; другі знаходяться в одному-двох органах – це найбільш інформативні ферменти, оскільки збільшення їх активності свідчить про ураження цих органів. Органоспецифічні ферменти називають індикаторними, або маркерними (наприклад, КК у м’язовій тканині, аргіназа в паренхімі печінки).
Секреторні ферменти синтезуються клітинами, надходять у кров і виконують специфічні функції в кров’яному руслі, тому їх називають власне ферментами крові. Наприклад, до них належать ферменти згортальної системи і фібринолізу, які синтезуються в печінці, потім надходять у кров і беруть участь у коагуляції, ліпопротеїнліпаза, церулоплазмін, псевдохолінестераза та інші. Активність цих ферментів у сироватці крові вища, ніж у клітинах чи тканинах. У клінічній практиці вони становлять інтерес, коли їх активність у сироватці крові стає нижче норми за рахунок порушення функції печінки.
Екскреторні ферменти утворюються деякими травними залозами (підшлунковою залозою, слизовою кишечника, ендотелієм жовчовивідних шляхів) і з їх секретів надходять у кров (амілаза, ліпаза, трипсин, ентерокіназа та ін.). У нормі активність цих ферментів у сироватці крові є низькою та постійною. Однак при патології, коли є заблокованим будь-який зі звичайних шляхів екскреції, активність цих ферментів у сироватці крові значно збільшується.
Процеси синтезу, функціонування та розпаду ферментів відбуваються безперервно й одночасно та забезпечують певний рівень їх активності у тканинах. Більшість ферментів сироватки крові первинно синтезується в клітинах, де їх концентрація істотно вища, ніж у сироватці. У кров ферменти надходять у результаті ушкоджень клітин або їх мембран, природної загибелі клітин, частина ферментів активно секретується в систему циркуляції.
При підвищеній загибелі клітин збільшуються вміст і відповідно активність ферментів у системі циркуляції. До факторів, здатних підвищувати проникність мембран, належать недостатність постачання киснем клітини, зниження концентрації глюкози в крові, присутність багатьох лікарських і хімічних речовин, що блокують гліколіз, роботу ЦТК та окисне фосфорилювання. Патогенні бактерії, бактеріальні токсини і віруси впливають безпосередньо на мембрану. Крім того, існують генетично обумовлені порушення структури мембран.
При виділенні ферментів швидкість їх появи в крові залежить від трьох факторів. Перш за все від градієнта концентрації, що забезпечує рух ферментів через мембрану. Величина його різна для різних ферментів і типів тканин. Наприклад, активність ЛДГ у клітинах печінки приблизно в 3000 разів, в еритроцитах – у 200 разів вища, ніж у плазмі крові. Чим вищий градієнт, тим швидше фермент з’являється в крові. Другий фактор – розмір молекул фермента. Дрібніші молекули дифундують із більшою швидкістю, ніж великі, та виділяються на ранній стадії ушкодження мембрани. Третій фактор – внутрішньоклітинна локалізація ферментів. Оскільки ферменти локалізуються в різних клітинних компартментах, таких, як цитозоль, лізосоми, клітинна мембрана або мітохондрії, то поява певної групи ферментів може свідчити про ступінь і тяжкість ушкодження клітин. Наприклад, такі ферменти, як кисла фосфатаза, 5’-нуклеотидаза (5’-НТ), ГГТП, локалізовані в клітинній мембрані. АлАТ, АсАТ, ЛДГ, КК знаходяться в цитоплазмі. АсАТ і КК виявлені також і в мітохондріях. Тут же знаходяться такі ферменти, як уроканіназа, глутаматдегідрогеназа (ГлДГ). Лужна фосфатаза (ЛФ) локалізована в лізосомах.
У першу чергу в плазму виходять цитоплазматичні ферменти, а при некрозі клітини, коли руйнуються внутрішньоклітинні органели, – і мітохондріальні ферменти. Прикладом є підвищення в крові активності АсАТ. І цитоплазматична, і мітохондріальна форма цього ферменту має однакову молекулярну масу, але мітохондріальна виходить у кров значно повільніше.
Крім посиленої загибелі клітин, причинами підвищення активності ферментів у сироватці крові можуть бути:
підвищена проліферація клітин (пухлинний ріст);
підвищений синтез ферментів;
обструкція шляхів секреції ферментів;
зниження кліренсу ферментів.
Швидкість синтезу ферментів звичайно збільшується при станах, що супроводжуються ураженням печінки. Біліарна обструкція викликає збільшення синтезу ферментів, що локалізовані у сітці гепатобіліарного дерева. Деякі фармакологічні препарати індукують збільшений синтез ферментів гепатоцитами, наприклад антиконвульсантні препарати, особливо фенобарбітал і фенітоїн.
Зниження активності ферментів порівняно з нормальними значеннями може бути при зниженому синтезі, вроджених дефіцитах, за наявності інгібіторів активності ферменту, при агрегації молекул ферментів.
Про механізми видалення ферментів із системи циркуляції або інгібування їх активності відомо мало. Більшість ферментів, імовірно, розщеплюється протеазами плазми крові та видаляється ретикулоендотеліальною системою. Частина ферментів виділяється зі слиною, жовчю та іншими секреторними рідинами. Через нирковий фільтр проходять лише невеликі молекули з молекулярною масою не більше 60–70 кДа, тому в нормі кількість екскретованих ферментів невелика. До них належить амілаза, яка фільтрується в клубочках нирок. Активність амілази в сироватці підвищується при гострій нирковій недостатності, для інших ферментів практично невідомі ситуації, при яких змінювався б їх кліренс, тобто швидкість видалення з крові.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 20