Энзимология

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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[1].

История[править]

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[2].

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[2].

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[2].

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[2].

Направления[править]

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[править]

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[3]. Наследственные энзимопатии, связанные с нарушениями метаболизма, можно классифицировать следующим образом:

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[3].

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[3].

Энзимодиагностика[править]

Энзимодиагностика — это методы диагностики различных заболеваний, патологических состояний и процессов, которые основаны на измерении активности ферментов в биологических жидкостях[3]. 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[3].

Энзимотерапия[править]

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[3].

Задачи[править]

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:

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[1].

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[1].

Методы[править]

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[1].

Примечания[править]

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Энзимология. www.lomonosov-fund.ru. Проверено 17 мая 2024.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 Энзимология. бмэ.орг. Проверено 17 мая 2024.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 Кафедра биохимии. studfile.net. Проверено 17 мая 2024.
Знание.Вики

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Энзимология», расположенная по следующим адресам:

—«https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/Энзимология»
—«https://znanierussia.ru/articles/Энзимология»

Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий.

Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».

Источник — http://cyclowiki.org/w/index.php?title=Энзимология&oldid=1961715