Активность и структура ферментов
Подобной представляется и картина с ферментами. Весьма вероятно, что гетерозиготы имеют столько же молекул ферментов с нормальной активностью, сколько и патологических, с уменьшенной или полностью отсутствующей активностью.
Примером может быть фенилкетонурия, причина которой заключается в недостаточности гидроксилазы фенилаланина, вызванная присутствием одного нормального и одного мутант-ного генов этого фермента. Аномальные влияния избытков некоторых компонентов пищи также зависят от генотипа данного организма. Это же можно сказать и о болезнетворном влиянии других внешних условий.
Возможен ряд причин пониженной активности фермента: низкий уровень его синтеза, малая активность синтезированного фермента, быстрый его распад. До последнего времени считали, что все дело в недостаточности синтеза, вызванного неправильной регуляцией активности гена. Обычно такого рода ситуация проявляется в дифференцированных клетках многоклеточных организмов в виде исключения.
В патологии человека только талассемия принимается за болезнь, вызванную замедлением синтеза цепей глобина, хотя недавно получены данные, подтверждающие, что причина ингибирования синтеза глобина заключается здесь в повреждении информационной РНК, на которой не могут синтезироваться правильные цепи глобина.
Случаи быстрого разрушения фермента (или гемоглобина) при нормальном его синтезе также известны. Наиболее изучен из них распад каталазы при болезни акаталазии. При этом заболевании синтезируется нормальный по активности фермент, который затем быстро разрушается. То же самое известно и о некоторых случаях недостаточной активности дегидрогеназы глюкозо-6-фосфата. Как показал А. Иошида причина такой недостаточности в некоторых вариантах заболеваний вызвана замещением одной из аминокислот в цепи фермента на несвойственную ; однако в других вариантах болезни время полураспада этого фермента составляло 13 дней, тогда как обычно оно равно 62 дням.
Аргументом в пользу генетического происхождения неправильной структуры ферментов может быть их коферментная (см. ниже) неполноценность, впервые установленная для витаминзависимых белков (не следует путать такого рода недостаточность с недостаточностью, вызванной неполнокачествен-ной пищей).
Вследствие изменений в структуре апофермента (так называют белковую часть сложных ферментов, содержащих также небелковый компонент — кофермент) частично нарушается его связь с коферментом, т. е. заменяется сродство апофермента к коферменту.
Впервые витаминную зависимость активности ферментов в патологии человека описал Г. Фримптер (США) в 1965 г. для цистатионинурии — болезни, проявляющейся в нарушении развития детей, в первую очередь умственного. Причина этого заболевания — недостаточность фермента цистатиониназы, разлагающей аминоцистатионин на аминокислоты цистен и гомосерин. После прибавления значительных количеств витамина В6 в диету (коферментом цистатиониназы также является пи-ридоксальфосфат) (Витамин В6 — пиридоксаль, а также его производные входят в состав коферментов, главным образом пиридоксальфосфата, и участвуют в обмене веществ. — Ред.) признаки нарушений обмена полностью исчезают, что подтверждает названную причину потери активности фермента. Плохое связывание апофермента с коферментом отмечено также в случае ксантирениновой ацидурии, возникающей при пониженной активности фермента кинурениназы.
Примером зависимости ферментативной активности определенного процесса от концентрации кофермента при нарушении нормального обмена может служить изомеризация метилмалоновой кислоты, осуществляемая ферментом изомеразой, коферментом которой является витамин В12. Известны два различных нарушения нормального метаболизма этого процесса. В первом при резком увеличении количества В12 процесс изомеризации выравнивается; во втором — добавление B12 эффекта не давало. Отсюда видно, что первая аномалия заключается в ослаблении связывания изомеразы и ее кофермента, тогда как во втором случае изменение активности фермента вызвано какими-то иными причинами, вероятно, структурными изменениями других участков фермента.
Подобные наблюдения были сделаны автором этой статьи совместно с И. Палушаком и К. Завильской (1971) в отделе генетики человека Медицинской академии в Познани при изучении гиперлипидемии, причина которой заключалась в недостаточности активности липопротеидной липазы сыворотки крови. При этом обнаруживались три типа случаев. В одних наблюдалась нормальная реакция на добавление гепарина (кофермента липопротеидной липазы), в других организм вообще не реагировал на его введение и в третьих (такой пример встретился лишь один раз) организм реагировал на резкое увеличение количества гепарина. В первом случае проявляется обычная недостаточность эндогенного гепарина в организме, во втором — структура липазы нарушена так, что апофермент не в состоянии связывать гепарин, в третьем — происходит частичная потеря сродства апофермента к коферменту.
Другая причина уменьшенной активности каких-либо ферментов связана с появлением изозимов (изоэнзимов, изоферментов) или резким увеличением их количества. Изозимы — ферменты с идентичной каталитической функцией, но с различным строением — неодинаковыми пропорциями цепей, образующими нормальную молекулу фермента. Например, лактат дегидрогеназа состоит из четырех цепей полипептидов (повторяющиеся цепи А и В). Синтез этих цепей проходит в разных местах клетки и с различными скоростями, в результате чего иногда могут преобладать цепи А, иногда В. Существуют пять возможных комбинаций: АААА, ВВВВ, АААВ, АВВВ и ААВВ. Как показали новейшие исследования, ферментативная активность соответствующих ферментов изменяется в широких пределах.
С фактом воздействий изозимов, вероятно, связан еще один эффект метаболизма, являющийся базой дифференциации метаболических путей в различных органах. Например, изозим М лактат дегидрогеназы, находящийся в скелетных мышцах, активен в анаэробных (безкислородных) условиях и при интенсивной работе мышцы катализирует переход пировиноградной кислоты в молочную. Накопившаяся молочная кислота превращается в период покоя мышцы снова в пировиноградную, которая затем окисляется до углекислоты и воды по более экономически выгодному аэробному (кислородному) пути. В противоположность этому в сердечной мышце содержится изозим Н, активный исключительно в аэробных условиях и не способный превращать пировиноградную кислоту в молочную; сердечная мышца не может иметь отдыха, и поэтому окисляет глюкозу через промежуточную пировиноградную кислоту непосредственно в углекислоту и воду. Для этого в процессе эволюции и произошло разделение путей обмена.
Легко себе представить, что каждое изменение количества синтезированных клеткой субчастиц данного фермента, вызываемое физиологическими или патологическими причинами, должно сказываться на составе данного фермента, продуцируемого клеткой, что соответствует также и определенной его активности. С этой точки зрения изменение активности фермента говорит о изменении условий, в которых она проявляется — как это мы видели на примере сердечной и скелетной мышц. Такое явление объясняется либо физиологическим изменением функции клетки (при нормальном развитии), либо патологическими нарушениями, приводящими к болезни.