Внутриклеточная локализация ферментов

Подавляющее большинство ферментов действует внутри клетки, где они образовались, т.е. представляют собой так называемые эндо-ферменты. При этом для них характерна определенная клеточная локализация.

В общей форме локализацию важнейших групп ферментов внутри клетки можно представить следующим образом. В жидкой части клетки в виде отдельных молекул находятся многие важные группы ферментов: ферменты, катализирующие процессы анаэробного дыхания или спиртового брожения, превращение Сахаров, расщепление крахмала α - и β -амилазы. В той же фазе локализованы все ферменты синтеза высших жирных кислот, многие ферменты, катализирующие синтез и взаимные превращения аминокислот, а также многочисленные гидролитические ферменты.

Ряд ферментов локализован в органеллах клетки — ядре, мито-хондриях, рибосомах и т.д. В ядре в основном находятся ферменты, катализирующие образование нуклеиновых кислот. Все ферменты

и кофакторы дыхательной цепи, а также все ферменты окислительного фосфорилирования, связанные с образованием АТФ в клетке, локали-зованы в митохондриях. Здесь же содержится полный набор фермен-тов, катализирующих реакции цикла трикарбоновых кислот, а также ферменты, катализирующие окисление жирных кислот. Кроме того, в митохондриях локализованы многие аминотрансферазы, катализирую-щие реакции переаминирования, и такой ключевой фермент азотистого обмена - глутаматдегидрогеназа.

Ферменты биосинтеза белка сосредоточены главным образом в рибосо-мах. В них содержатся также ферменты, катализирующие биосинтез рибонуклеиновых кислот.

Биохимические процессы, протекающие в клетке, представляют собой сложные цепи реакций, последовательно катализируемые несколькими ферментами. Многие ферменты в клетке действуют одновременно. При этом вещество, полученное под действием первого фермента, является субстратом для следующего и т.д. Образуются так называемые мультиферментные системы.

По степени сложности мультиферментные системы можно разде-лить на три группы. К первой группе относятся системы, в которых отдельные ферменты находятся в цитоплазме и не связаны друг с дру-гом. В этих случаях молекулы субстратов диффундируют от одного фермента к другому и т.д., причем продукт действия одного фермента является субстратом для другого (рис. 41, а).

Ко второй группе относятся системы, образованные в виде комплек-сов и с трудом распадающиеся на отдельные ферменты. При этом про-дукт действия одного фермента также является субстратом для другого, однако промежуточные продукты уже не покидают ферментного ком-плекса в результате диффузии (рис. 41, б). Примером такой системы может служить комплекс ферментов, катализирующих синтез жирных кислот или окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты.

Наиболее высокоорганизованными мультиферментными системами являются комплексы ферментов, которые связаны с мембранами кле-точных органелл. Примером такой системы может служить цепь дыха-тельных ферментов, прочно связанных мембраной митохондрий. Ве-щества, подвергающиеся превращению, последовательно пepeдвига-ются вдоль цепи ферментов (рис. 41, в).

Рис. 41. Основные группы мультиферментных систем: а — растворимая система; 6 — мультиферментный комплекс; в — мультиферментная система, связанная с мембраной; А, Б, В, Г, Д — субстраты и промежуточные продукты; Е₁, Е₂, Е₃, Е₄, Е₅ — отдельные ферменты.

В таких системах скорость ферментативных реакций очень высо-кая, поскольку не затрачивается время на перемещение субстратов от одного фермента к другому.

Практическое использование ферментов

Ферменты широко используются в народном хозяйстве. Так, в хлебопечении применяют ферментные препараты, которые улучшают качество и аромат хлеба. При хранении мяса, фруктовых соков, непастеризованных пива и вина как антиокислитель используется глюкозооксидаза. В кожевенном и меховом производстве применяются препараты пептидогидролаз, ускоряющих размягчение шкур и удаление с них шерсти в несколько раз.

Многие ферменты применяются с терапевтической целью. Так, препарат трипсина вместе с антибиотиками используется при лечении хронических язв конечностей и фурункулов. Панкреатическая

ДНКаза применяется при лечении некоторых респираторных заболеваний, гиалуронидаза — для ускорения всасывания различных лекарств, вводимых подкожно. Для разрушения тромбов часто применяют фибринолизин. Аспарагиназа, расщепляющая аспарагин, необходимый для синтеза белков раковыми клетками, применяется при лечении злокачественных опухолей.

По мнению ученых, на смену эре антибиотиков и гормональных препаратов приходит эра ферментов. Однако широкое использование ферментов ограничено их малой стабильностью при хранении, быстрой инактивацией под воздействием внутренних сред организма, сильными иммунологическими реакциями, высокой стоимостью и неспособностью к регенерации. Поэтому уже в настоящее время значительное количество ферментов применяются не в свободном виде, а закрепленными на органических и неорганических носителях. Такого рода системы называют иммобилизованными ферментами. Иммобилизация ферментов, как правило, повышает их стабильность при хранении, устойчивость к температурным изменениям, денатурирующим агентам, действию микроорганизмов. Часто у ферментов, подвергшихся иммобилизации, изменяется специфичность к субстрату. При расщеплении субстратов иммобилизованные ферменты могут давать другие продукты, чем те же ферменты» находящиеся в растворе. В ряде случаев появляется особая субстратная специфичность. Таким образом, благодаря иммобилизации ферментов, т.е. связыванию их с неорганическими или органическими носителями, в значительной степени

устраняются ряд недостатков, которые ограничивают их применение. Иммобилизованные ферменты широко используются для диагностики и лечения различных заболеваний, а также для создания более совершенных протезов и аппаратов, заменяющих работу важнейших органов человека. Методы иммобилизации ферментов открывают принципиально новые подходы в конструировании аппаратов «искусственная почка» и «искусственная печень». Так, на основе иммобилизованной уреазы созданы и прошли успешные испытания портативные аппараты «искусственная почка».

В практической медицине применяются различные типы повязок и тампонов с иммобилизованными на их поверхности ферментами. С применением иммобилизованных ферментов разработаны более точные и экономичные методы массовых клинических анализов для определения глюкозы, молочной кислоты и инсулина в крови, мочевины в сыворотке крови, лактозы в моче, пенициллина в фармацевтических препаратах.

В качестве примера иммобилизованных ферментов можно привести уреазу, используемую для определения мочевины в биологических жидкостях. Иммобилизованная уреаза может «работать» непрерывно в течение четырех месяцев, а храниться без потери активности — в течение трех месяцев при температуре от 0 до 5 °С. Иммобилизованная на нейлоне уратоксидаза позволяет определять мочевую кислоту с точностью до 10^-5—10^-4 моль. Система иммобилизованных ферментов для

определения пировиноградной и щавелево-уксусной кислот обладает большой стабильностью для проведения 800—1000 анализов, тогда как ферменты в растворе за тот же период времени теряют активность на 90 %.

Иммобилизованные ферменты постепенно внедряются также в практику для оценки загрязнения окружающей среды токсическими веществами.

Глава 20. ГОРМОНЫ

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: