Биологическая химия - часть 40

как в медицине, так и в пищевой промышленности (в США, например, его

используют для детского питания и добавляют вместо сахара в диети-

ческую кока-колу). Для производства аспартама методами генотехники

необходимо получить не только свободную аспарагиновую кислоту и фе-

нилаланин (предшественники), но и бактериальный фермент, катализи-

рующий биосинтез этого дипептида.

Значение инженерной энзимологии, как и вообще биотехнологии, воз-

растет в будущем. По подсчетам специалистов, продукция всех биотехно-

логических процессов в химической, фармацевтической, пищевой промыш-

ленности, в медицине и сельском хозяйстве, полученная в течение одного

года в мире, будет исчисляться десятками миллиардов долларов к 2000 г.

В нашей стране уже к 2000 г. будет налажено получение методами генной

инженерии L-треонина и витамина В

2

. Уже к 1998 г. предполагается

производство ряда ферментов, антибиотиков, α

1

-, β-, γ-интерферонов;

проходят клинические испытания препараты инсулина и гормона роста.

Гибридомной техникой в стране налажен выпуск реактивов для иммуно-

ферментных методов определения многих химических компонентов в био-

логических жидкостях.

ПРОБЛЕМЫ МЕДИЦИНСКОЙ ЭНЗИМОЛОГИИ

Достижения энзимологии находят все большее применение в медицине,

в частности в профилактике, диагностике и лечении болезней. Успешно

развивается новое направление энзимологии – медицинская энзимология,

которая имеет свои цели и задачи, специфические методологические под-

ходы и методы исследования. Медицинская энзимология развивается по

трем главным направлениям, хотя возможности применения научных дос-

тижений энзимологии в медицине теоретически безграничны, в частности

в области энзимопатологии, энзимодиагностики и энзимотерапии.

Область исследований  э н з и м о п а т о л о г и и является теоретической,

фундаментальной частью патологии. Она призвана изучать молекулярные

основы развития патологического процесса, основанные на данных нару-

шения механизмов регуляции активности или синтеза индивидуального

фермента или группы ферментов. Обладая высокой каталитической актив-

ностью и выраженной органотропностью, ферменты могут быть исполь-

зованы в качестве самых тонких и избирательных инструментов для

направленного воздействия на патологический процесс. Как известно, из

более чем 5000 наследственных болезней человека молекулярный механизм

развития выяснен только у 2-3 десятков. Считают, что развитие болезни

чаще всего связано с наследственной недостаточностью или полным от-

сутствием синтеза одного-единственного фермента в организме больного.

Иногда болезни называют также энзимопатиями. Так, галактоземия – на-

следственное заболевание, при котором наблюдается ненормально высокая

концентрация галактозы в крови. Болезнь развивается в результате наслед-

ственного дефекта синтеза фермента гексозо-1-фосфат-уридилтрансферазы,

катализирующего превращение галактозы в легкометаболизируемую глю-

козу. Причиной другого наследственного заболевания – фенилкетонурии,

сопровождающейся расстройством психической деятельности, является по-

теря клетками печени способности синтезировать фермент, катализирую-

щий превращение фенилаланина в тирозин (см. главу 12).

Энзимопатология успешно решает и проблемы патогенеза соматических

болезней. Созданы крупные научные центры и научно-исследовательские

институты, в которых ведутся работы по выяснению молекулярных основ

165

атеросклероза, злокачественного роста, ревматоидных артритов и др.

Нетрудно представить огромную роль ферментных систем или даже от-

дельных ферментов, нарушение регуляции активности и синтеза которых

приводит к формированию или развитию патологического процесса.

Второе направление медицинской энзимологии – э н з и м о д и а г н о с -

т и к а – развивается по двум путям. Один путь – использование ферментов

в качестве избирательных реагентов для открытия и количественного

определения нормальных или аномальных химических веществ в сыворотке

крови, моче, желудочном соке и др. (например, выявление при помощи

ферментов глюкозы, белка или других веществ в моче, в норме не обна-

руживаемых). Другой путь – открытие и количественное определение самих

ферментов в биологических жидкостях при патологии. Оказалось, что ряд

ферментов появляется в сыворотке крови при распаде клеток (отсюда их

название «некротические ферменты»). Для диагностики органических и

функциональных поражений органов и тканей широко применяются от-

дельные ферментные тесты, выгодно отличающиеся от других химических

диагностических тестов, используемых в клинике, высокой чувствитель-

ностью и специфичностью. Известно около 20 тестов, основанных на

количественном определении активности ферментов (и изоферментов),

главным образом в крови (реже в моче), а также в биоптатах (кусочки

тканей, полученные при биопсии). Следует отметить, что из огромного

числа ферментов (более 3500), открытых в природе (частично и в организме

человека), в диагностической энзимологии используется лишь ограничен-

ный набор ферментов и для весьма небольшого числа болезней (гепатиты,

инфаркт миокарда, органические поражения почек, поджелудочной железы,

печени и др.). Так, уровень липазы, амилазы, трипсина и химотрипсина

в крови резко увеличен при сахарном диабете, злокачественных поражениях

поджелудочной железы, болезнях печени и др. Резко повышается в сы-

воротке крови уровень двух аминотрансфераз, креатинкиназы (и ее изо-

форм) и лактатдегидрогеназы (и ее изоформ) при инфаркте миокарда;

умеренно повышено их содержание при поражениях тканей мозга и печени.

Определяют, кроме того, активность кислой фосфатазы (уровень повышен

при карциноме предстательной железы), щелочной фосфатазы, холинэсте-

разы и некоторых других органоспецифических ферментов (например,

гистидазы, уроканиназы, глицинамидинотрансферазы) в сыворотке крови

при патологии костной ткани, печени, метастатических карциномах и т. д.

Доказано, что органы и ткани человека характеризуются специфическим

ферментным и изоферментным спектром, подверженным не только инди-

видуальным, но и суточным колебаниям. Существует большой градиент

концентрации ферментов между внутриклеточными и внеклеточными час-

тями тела. Поэтому любые, даже незначительные, повреждения клеток

(иногда функциональные расстройства) приводят к выделению ферментов

во внеклеточное пространство, откуда они поступают в кровь. Механизм

гиперферментации (повышенное содержание ферментов в крови) до конца

не расшифрован. Повышение уровня внутриклеточных ферментов в плазме

крови прямо зависит от природы повреждающего воздействия, времени

действия и степени повреждения биомембран клеток и субклеточных струк-

тур органов. В оценке ферментных тестов для диагностических целей особое

значение имеет знание периода полужизни (полураспада) в плазме крови

каждого из диагностических ферментов, что делает важным выбор точного

времени для ферментного анализа крови. Весьма существенным является

также знание особенностей распределения (топографии) ферментов в инди-

видуальных органах и тканях, а также их внутриклеточной локализации.

166

В последнее время стали применять ферменты рестрикции – специфи-

ческие эндонуклеазы (см. главу 13), катализирующие разрывы межнуклео-

тидных связей ДНК, для диагностики фенилкетонурии, α- и β-талассемии

и других наследственных болезней человека. Метод основан на поли-

морфизме рестрикционных фрагментов ДНК.

Из представленных данных следует, что диагностическая энзимология

может служить основой не только для постановки правильного и своевре-

менного диагноза болезни, но и для проверки эффективности применяемого

метода лечения.

Дальнейшее развитие диагностической энзимологии преимущественно

идет по двум перспективным направлениям медицинской энзимологии: по

пути упрощения и рациональной модификации уже испытанных методов

и по пути поиска новых органоспецифических (тканеспецифических) фер-

ментов и изоферментов.

Третье направление медицинской энзимологии – э н з и м о т е р а п и я , т.е.

использование ферментов и модуляторов (активаторов и ингибиторов)

действия ферментов в качестве лекарственных средств, имеет пока не-

большую историю. До сих пор работы в этом направлении почти не

выходят за рамки эксперимента. Исключение составляют некоторые про-

теиназы: пепсин, трипсин, химотрипсин и их смеси (абомин, химопсин),

которые применяют для лечения ряда болезней пищеварительного тракта.

Помимо протеиназ, ряд других ферментов, в частности РНКаза, ДНКаза,

гиалуронидаза, коллагеназы, эластазы, отдельно или в смеси с протеина-

зами используются при ожогах, для обработки ран, воспалительных очагов,

устранения отеков, гематом, келоидных рубцов, кавернозных процессов при

туберкулезе легких и др. Ферменты применяются также для лечения

сердечно-сосудистых заболеваний, растворения сгустков крови. В нашей

стране разработан первый в мире препарат иммобилизованной стрептокина-

зы, рекомендованный для лечения инфаркта миокарда. Калликреины – фер-

менты кининовой системы используются для снижения кровяного давления.

Важной и многообещающей областью энзимотерапии является при-

менение ингибиторов ферментов. Так, естественные ингибиторы протеиназ

(α

1

-трипсин, α

1

-химотрипсин, α-макроглобулин) нашли применение в тера-

пии острых панкреатитов, артритов, аллергических заболеваний, при ко-

торых отмечается активация протеолиза и фибринолиза, сопровождаю-

щаяся образованием вазоактивных кининов.

В последнее время получило признание применение в онкологической

клинике ферментов бактериальной природы в качестве лекарственных

средств. Широко используется L-аспарагиназа (выпускается в промышлен-

ных количествах и L-глутамин(аспарагин)аза для лечения острых и хрони-

ческих форм лейкозов и лимфогранулематозов. Более десятка описанных

в литературе бактериальных ферментов испытаны в основном на животных

с перевивными опухолями или на раковых клетках опухолей человека

и животных, выращенных в культуре ткани. Основными постулатами

применения ферментов в онкологии являются различия в метаболизме

клеток опухолей по сравнению с обменом в нормальной, здоровой, клетке.

В частности, современные стратегия и тактика энзимотерапии опухолевых

поражений учитывают разную чувствительность нормальных и опухолевых

клеток к недостатку (дефициту) незаменимых (так называемых эссенциаль-

ных) факторов роста. К таким ростстимулирующим факторам относятся не

только пищевые факторы (витамины, незаменимые аминокислоты, макро-

и микроэлементы), но и ряд так называемых заменимых веществ, включая

заменимые аминокислоты, к недостатку которых опухолевая клетка ока-

167

зывается в силу особенностей ее обмена более чувствительной, чем нор-

мальная. Лечебный эффект, например, L-аспарагиназы и L-глутамин(аспа-

рагин)азы при лейкозах, вероятнее всего, объясняется необратимым распа-

дом как глутамина, так и аспарагина. Оказалось, что опухолевые клетки

для своего роста и размножения нуждаются в аминокислотах из организма,

поскольку сами лишены способности синтезировать амиды аминокислот,

в то время как нормальные клетки наделены этой способностью. Был

сделан вывод о том, что амидный азот глутамина и аспарагина выполняет

в клетках ряд уникальных функций, которые лучше выяснены для глута-

мина (см. главу 12). В частности, амидный азот глутамина оказался

абсолютно необходимым и не заменимым другими аминокислотами источ-

ником атома азота минимум в 10 реакциях синтеза, например, пуриновых

и пиримидиновых нуклеотидов, соответственно ДНК и РНК, АТФ, ге-

ксозаминов, гистидина и др. Таким образом, не лишена основания гипо-

теза, что любой фермент или агент, катализирующий необратимое рас-

щепление незаменимого для опухолевой клетки пищевого фактора (вклю-

чая аминокислоты), может в принципе быть применен в энзимотерапии

опухолей, если будут устранены ограничения, связанные с белковой при-

родой фермента. В оценке эффективности ферментов в экспериментальной

и клинической онкологии имеется немало противоречий и очень много

пробелов. Положительные результаты, отмеченные в ряде случаев, вселяют

надежду, что приготовление стандартных ферментных препаратов (включая

создание иммобилизованных форм) в промышленных масштабах и их

разумное применение в клинике, организованное на строгой научной

основе, несомненно дадут в руки врачей еще одно ценное оружие в борьбе

с опухолевыми заболеваниями человека.

Идея применения ферментов в качестве лекарственных средств (фарма-

кологии ферментов) всегда казалась заманчивой. Однако их нестабиль-

ность, короткий период полураспада, нежелательные антигенные свойства,

связанные с белковой природой ферментов и опасностью развития аллер-

гических реакций, трудности доставки к пораженным органам и тканям

(мишеням) существенно ограничивали возможности использования фер-

ментных препаратов. В разработке методов иммобилизации ферментов (см.

ранее) наметились конкретные пути преодоления указанных трудностей:

применение водорастворимых, биосовместимых носителей, например по-

лимолочной кислоты (легко разлагается в организме), использование ме-

тодов химической модификации и микрокапсулирования, приготовление

моно- и поликлональных антител и ферментсодержащих липосом и т.д.

В последнее время интенсивно разрабатываются методы направленного

транспорта ферментов, заключенных в своеобразные микроконтейнеры

(тени эритроцитов, липосомы и др.), к внешней поверхности которых могут

быть прикреплены адресные (векторные) белковые молекулы (например,

иммуноглобулины – антитела против специфических компонентов органа

или ткани-мишени, в частности опухоли). Иммобилизованные ферменты

в качестве лекарственных средств начали применять в специальных колон-

ках для экстракорпоральной перфузии крови (типа искусственной почки).

Такое лечение полностью исключает нежелательные воздействия на орга-

низм чужеродного белка и может проводиться длительное время.

Таким образом, области применения ферментов в медицине действи-

тельно безграничны. Рассмотренные примеры ясно показывают, какие

замечательные и многообещающие перспективы уже сегодня открывает

перед будущими врачами медицинская энзимология.

168