ФОСФАТАЗЫ

Щелочная фосфатаза обладает чрезвычайно широким изоферментным спектром. С помощью иммуно-химических и электрофоретических методов было показано, что между ее изоферментами (см.) имеются выраженные физико-химические и каталитические различия. При электрофорезе в полиакриламидном геле щелочная фосфатаза, полученная из слизистой оболочки кишечника, остается вблизи места внесения р-ра фермента в гель (линии старта), а щелочная фосфатаза, выделенная из печени, движется в сторону анода вместе с фракцией ά1- или α2-глобулинов (рис.). Электрофоретическое разделение сывороточной щелочной фосфатазы при повышении ее активности дает возможность установить костное или печеночное происхождение фермента, выброс к-рого обусловил возросшую активность щелочной фосфатазы в крови. В сыворотке крови в норме основным источником щелочной фосфатазы является, по-видимому, печень. Появление изофермента, характерного для слизистой оболочки тонкой кишки, находится под генетическим контролем: есть данные, что его присутствие в крови характерно для людей с нулевой группой крови.

Распределение активности фермента даже в одном морфологическом образовании негомогенно. Так, активность щелочной фосфатазы различна в разных отделах кишечника, в корковом веществе почки она гораздо выше, чем в мозговом. На активность щелочной фосфатазы влияют гормональные факторы: активность фермента в крови снижается после гипофизэктомии, кастрации, а также в результате применения кортикостероидных препаратов. После введения тироксина активность фермента увеличивается. У человека различные факторы, вызывающие стресс, способствуют увеличению активности щелочной фосфатазы в лейкоцитах.

Активность щелочной фосфатазы в крови в нек-рой степени зависит от возраста и пола. У мужчин активность фермента в крови на 20—30% выше, чем у женщин, однако во время беременности у женщин происходит значительное (в 2—3 раза) повышение активности этой фосфатазы, что может объясняться ростом эмбриона, особенно процессом остеогенеза плода.

Функции щелочной фосфатазы в каждой ткани пока точно не установлены. В костной ткани она, по-видимому, участвует в процессах кальцификации. В клетке щелочная фосфатаза обычно связана с липопротеидной мембраной, а у нек-рых микроорганизмов, как показали гистохимического исследования, она находится между мембраной и клеточной стенкой. Локализация фермента на абсорбирующих поверхностях указывает на его возможную роль в трансмембранном переносе.

Мол. вес (масса) щелочной фосфатазы, выделенной из разных источников, варьирует в пределах 70 000—200 000; фермент из плаценты человека, полученный в кристаллическом виде, имеет мол. вес 125 000. Полагают, что его молекула состоит из двух субъединиц равного мол. веса, но не идентичных друг другу. Результаты генетических исследований указывают на существование трех типов субъединиц щелочной фосфатазы, различные сочетания к-рых дают шесть фенотипических вариантов, различающихся по электрофоретической подвижности и представляющих основные множественные формы (изоформы) фермента. Предполагают, что разница в составе субъединиц обусловлена наличием в молекулах нек-рых щелочных фосфатаз углеводной части, ковалентно связанной с белком.

Щелочная фосфатаза стабильна при нейтральных и щелочных значениях pH, но чувствительна к закислению среды. В области pH 7,0—8,0 и при концентрации ионов Zn²⁺ выше 10^-5М фермент образует активный тетрамер, связывающий 16 ионов Zn²⁺. Микробная щелочная фосфатаза, выделенная из разных источников, способна образовывать активные гибриды с использованием мономеров из разных ферментов, что указывает на близость вторичной структуры микробных фосфатаз, несмотря на различия в составе и иммунол. свойствах субъединиц.

Субстратная специфичность щелочных фосфатаз из разных источников не одинакова. Так, фермент из костной ткани гидролизует целый ряд фосфорных соединений, в т. ч. гексозофосфаты, глицерофосфаты, этилфосфат, аденилат и фенилфосфат. Фермент из Escherichia coli способен гидролизовать различные полифосфаты, в т. ч. метафосфаты с различной длиной цепи, а также фосфосерин, фосфотреонин, пиридоксальфосфат и фосфохолин. Ряд щелочных фосфатаз из тканей млекопитающих при pH 8,5 проявляет ии-рофосфатазную активность, а фермент из слизистой оболочки кишечника цыпленка гидролизует цистеамин-S-фосфат и другие S-фосфаты с образованием неорганического фосфата и соответствующего тиола. Нек-рые щелочные фосфатазы обладают также трансферазной активностью и в реакциях перефосфорилирования могут катализировать перенос фосфата от фосфоэфира на спиртовую группу акцептора.

Т. о., щелочная фосфатаза способна гидролизовать соединения, содержащие связи P — F, Р — О — С, Р — О — P, Р — S и P — N, причем катализируемая реакция заключается в переносе фосфата от донора типа

(где X может быть представлен фтором, кислородом, серой, азотом, а R — атомом водорода, алкильным заместителем или совсем отсутствовать) на акцептор типа R' — ОН (где R' представлен атомом водорода или алкильным заместителем) с разрывом связи P — X. Поскольку фермент катализирует и обратную реакцию, акцепторная специфичность распространяется на все соединения типа R — ХН. Щелочная фосфатаза катализирует перенос только концевого фосфата, характерной чертой фермента является то, что относительные скорости гидролиза различных субстратов весьма близки.

Определение активности щелочной фосфатазы в крови имеет диагностическое значение при заболеваниях печени и костной системы. Так, гиперфосфатаземия отмечается при хрон. заболеваниях печени, саркоидозе (см.), туберкулезе (см.), фосфат-диабет (см.) сопровождаются значительным повышением активности щелочной фосфатазы в сыворотке крови.

Генетически обусловленная низкая активность щелочной фосфатазы в крови (гипофосфатазия) является причиной тяжелой наследственной болезни, сопровождающейся аномалиями скелета вследствие нарушения процессов окостенения; дефект фермента наследуется по аутосомно-рецессивному типу.

Кислая фосфатаза (фосфомоноэстераза; КФ 3.1.3.2) также широко распространена в природе. Она обнаружена в дрожжах, плесенях, бактериях, растительных и животных тканях и биол. жидкостях. У человека особенно высока активность кислой фосфатазы в предстательной железе. Эритроциты также содержат много кислой фосфатазы. Экстракт из ткани предстательной железы проявляет в слабокислой среде фосфатазную активность, к-рая почти в 1000 раз выше, чем фосфатазная активность экстрактов из печени или почек. Гистохим. исследования показывают, что фермент содержится гл. обр. в железистом эпителии предстательной железы; большие количества фермента обнаружены в сперме. Имеется тесная связь между синтезом кислой фосфатазы в предстательной железе и содержанием половых гормонов (см.). При низкой концентрации андрогенов (см.) в моче отмечают низкую активность кислой фосфатазы в сперме. То же наблюдают при гипогонадизме (см.).

Оптимум pH для кислой фосфатазы находится в интервале значений pH между 4,7 и 6,0 (однако максимум активности кислой фосфатазы, полученной из селезенки, наблюдают при значениях pH от 3,0 до 4,8). Субстратный спектр и скорости гидролиза различных субстратов кислой фосфатазой и щелочной фосфатазой весьма отличны. Так, кислая фосфатаза не способна гидролизовать S-замещенные моноэфиры тиофосфорной к-ты, в то время как О-замещенные моноэфиры в тех же условиях активно гидролизуются ею (в случае щелочной фосфатазы наблюдается обратное).

Путем электрофоретического разделения кислой фосфатазы, выделенной из различных тканей, было установлено существование у этого фермента четырех компонентов — А, В, С и D. Сочетание компонентов ABD доминирует в почках; BD — в печени, кишечнике, сердце и скелетных мышцах; компонент В преобладает в коже, a D — в поджелудочной железе; компонент С присутствует в плаценте и не встречается ни в одном органе взрослого организма. В целом сочетание BD характерно для кислой фосфатазы большинства тканей человека за исключением кожи, почек и поджелудочной железы. Все 4 электрофоретических компонента представляют собой генетически детерминируемые изоформы кислой фосфатазы. Характерной чертой кислой фосфатазы является чувствительность к инактивации на поверхности раздела фаз; добавление поверхностно-активных веществ (см. Детергенты) к р-ру фермента предохраняет кислую фосфатазу от инактивации.

Мол. вес кислой фосфатазы различен у ферментов, полученных из разных источников, напр, два иммунологически различных молекулярных изофермента кислой фосфатазы из предстательной железы человека имеют мол. вес 47 000 и 84 000.

Определение активности кислой фосфатазы в сыворотке крови служит важным диагностическим тестом при выявлении рака предстательной железы (см. Предстательная железа, патология). У больных раком предстательной железы без метастазов повышение активности кислой фосфатазы в крови обнаруживается в 25% случаев, а при раке предстательной железы с метастазами опухоли в другие органы — в 80—90% случаев. Динамика показателей активности этого фермента в крови при раке предстательной железы может служить критерием эффективности проводимой терапии.

Определение кислой фосфатазы имеет существенное значение также и в судебной медицине. Высокая активность фермента в сперме дает возможность с большой достоверностью идентифицировать подозрительные пятна при с у д.-хим. исследовании вещественных доказательств.

Гистохимические методы обнаружения фосфатаз

Щелочную фосфатазу в гистохимии выявляют с помощью метода Гомори, методов с применением тетразолия, азоиндоксила и методом азосочетания. При применении тетразолиевого метода и метода азосочетания рекомендуется использование криостатных срезов, обработанных ацетоном, а также криостатных нефиксированных срезов. Методы с применением солей металлов требуют использования криостатных срезов, фиксированных в формальдегиде, или замороженных срезов после фиксации тканевых блоков в формальдегиде или глутаровом альдегиде. Наиболее рекомендуемым является метод Гомори, затем методы с применением тетразолия и азоиндоксила. При тетразолиевом методе определения щелочной фосфатазы используют 5-бром-4-хлор-3-индоксилфосфат, толуидиновую соль, нитротетразолий синий, 0,1 — 0,2 М трис-HCl-буфер или веронал-ацетатный буфер pH 9,2—9,4. Реакции азосочетания и тетразолиевый метод при гистохим. выявлении щелочной фосфатазы более чувствительны, чем метод Гомори, однако диффузия фермента, происходящая при использовании нафтолов и солей тетразолия, может препятствовать установлению его точной локализации.

Метод Гомори с применением солей металла

Инкубационная среда:

3% р-р альфа-глицерофосфата 10 мл

2 —10% р-р мединала 10 мл

2% р-р хлористого кальция CaCl₂ (безводного) 15 мл

2% р-р сернокислого магния MgSO₄ 10 мл

дистиллированная вода 5 мл

Общий объем 50 мл

Инкубационную среду тщательно перемешивают и в случае помутнения фильтруют. Инкубируют 1—60 мин. при 37° или при комнатной температуре, затем сливают инкубационную среду, промывают срезы в проточной воде, переносят в 1 — 2% р-р хлористого кобальта CoCl₂ или другую растворимую соль кобальта (ацетат или нитрат кобальта) на 5 мин. Затем промывают в проточной воде 2—5 мин. При инкубации нефиксированных срезов необходимо провести постфиксацию при комнатной температуре в 4% р-ре параформальдегида в течение 2 — 5 мин. и сполоснуть в проточной воде 2 мин. Срезы обрабатывают р-рами сернокислого аммония восходящих концентраций (0,1 — 1%) 2 мин. и промывают в проточной воде 10 мин., после чего заключают в глицериновый гель или сироп Апати либо (после обезвоживания) в энтеллан или подобную ему среду. Места локализации щелочной фосфатазы окрашиваются в черный цвет. Контрольные реакции проводят без добавления субстрата к инкубационной среде.

Метод одновременного азосочетания по Барстону

Инкубационная среда:

нафтол AS, AS-MX, AS-D, AS-B1 или фосфат нафтола AS-TR 10 — 25 мг растворить в стабильной соли диазония (N, N '-диметилформамиде или диметилсульфоксиде) 0,5 мл

0,1 — 0,2 М веронал-ацетатный или трис-HCl-буфер, pH 8,2—9,2 50 мл

прочный синий В, ВВ, RR, прочный красный TR, прочный синий VRT (вариамин синий, (голь RT), прочный синий VВ (вариамин синий В) или прочный фиолетовый В 50 мг

Инкубационную среду тщательно перемешивают и фильтруют. Вместо стабильной соли диазония можно использовать 0,5 мл свежеприготовленного гексазотированного нового фуксина. В этом случае нужную величину pH устанавливают, добавляя едкий натр по каплям. Инкубируют 5 — 60 мин. при 37° или при комнатной температуре. Сливают инкубационную среду, срезы споласкивают в дистиллированной воде, помещают в 4% р-р формальдегида на несколько часов при комнатной температуре, затем промывают в проточной воде, при необходимости докрашивают ядра прочным красным или гематоксилином и заключают в глицериновый гель или сироп Апати. В зависимости от вида соли диазония, включенной в инкубационную среду, структуры, обладающие ферментативной активностью щелочной фосфатазы, окрашиваются в сине-фиолетовый или красный цвет.

Для гистохим. выявления кислой фосфатазы рекомендуют использовать криостатные или замороженные срезы после предварительной фиксации в формальдегиде, а также криостатные срезы, подвергнутые замораживанию и высушиванию и покрытые целлоидином, и криостатные срезы, подвергнутые замещению в замороженном состоянии и покрытые целлоидином. Лучшие результаты достигаются при фиксации тканей глутаровым альдегидом или формальдегидом. Для выявления фермента используют реакции азосочетания, метод Гомори и индигогенные реакции. Универсальным считается метод одновременного азосочетания с фосфатами нафтола и гекеазотированным n-розанилином или новым фуксином. Вторым по частоте использования является индигогенный метод с применением 5-бром-4-хлор-3-индоксилфосфата в качестве субстрата. Метод Гомори дает возможность точно идентифицировать лизосомы (см.).

Метод Гомори с солями металлов (в модификации)

Инкубационная среда:

0,1 М ацетатный буфер, pH 5,0 или 6,0 50 мл

0,24% р-р нитрата свинца 50 мл

3 % р-р альфа-глицерофосфата натрия или 0,1% р-р цитидинмонофосфата натрия 10 мл

Общий объем 110 мл

Инкубационную среду хорошо смешивают и оставляют стоять на 15—30 мин. при температуре инкубации, затем фильтруют. Инкубацию проводят в кюветах при 37° в течение 10—60 мин. или при комнатной температуре до 2 час., можно инкубировать свободноплавающие срезы. Инкубационную среду сливают, срезы споласкивают в двух сменах дистиллированной воды по 1 мин. в каждой и помещают в 0,5 — 1% р-р желтого сульфида аммония на 1 — 2 мин. Снова споласкивают в дистиллированной воде и заключают в глицериновый гель или сироп Апати. Структуры, обладающие активностью кислой фосфатазы, окрашиваются в коричневый цвет.

Метод одновременного азосочетания с эфирами нафтола AS

Инкубационная среда:

фосфат нафтола AS-BI или нафтола AS-TR 20 — 25 мг растворяют в N,N'-диметилформамиде - 1 мл

Забуференный гексазотированный n-розанилин или новый фуксин (1,5 — 4,5 мл гексазотированного n-розанилина или 1,25 мл нового фуксина растворяют в 45,5 — 48,5 мл 1,36—2,72% р-ра ацетата натрия CH₃CONa•3H₂O или 48,75 мл 0,1 М серонал-ацетатного буфера, pH ок. 6,0, доводят до pH 5,0 — 5,5) - 50 мл

Общий объем 51 мл

Инкубационную среду тщательно смешивают и фильтруют. Инкубируют 30 — 60 мин. при 37° или 1—2 час. при комнатной температуре либо несколько часов (сутки) в холодильнике при +4°. Инкубационную среду сливают, срезы споласкивают в дистиллированной воде и помещают в 4% р-р формальдегида на несколько часов при комнатной температуре. Споласкивают в проточной воде, при необходимости докрашивают ядра гематоксилином и заключают в глицериновый гель или сироп Апати. Структуры, обладающие активностью кислой фосфатазы, окрашиваются в красный цвет.

Азоиндоксильный метод по Госсрау

Инкубационная среда: толуидиновую соль 5-бром-4-хлор-3-индоксилфосфата 1,5 — 3 мг растворяют в 0,075 — 0,15 мл N,N'-диметилформамида 0,1 М ацетатный буфер, pH 5,0 10 мл

Гексазотированный новый фуксин 0,25 мл

или прочный синий В 5 —10 мг

Общий объем ~10 мл

Инкубационную среду тщательно перемешивают и фильтруют, прикрепленные или свободноплавающие срезы инкубируют 15—60 мин. при 37°. Инкубационную среду сливают, срезы споласкивают в дистиллированной воде и помещают в 4% р-р формальдегида на несколько часов при комнатной температуре, затем споласкивают в проточной воде и помещают в дистиллированную воду, после чего заключают в глицериновый гель или сироп Апати. Структуры, обладающие активностью кислой фосфатазы, окрашиваются в синевато-коричневый цвет.

Библиогр.: Диксон М. и Уэбб Э. Ферменты, пер. с англ., с. 364, 458, М., 1982; Лилли Р. Патогистологическая техника и практическая гистохимия, пер. с англ., М., 1969; Лойда 3., Госсрау Р. и Шиблер Т. Гистохимия ферментов, пер. с англ., М., 1982; Номенклатура ферментов, пер. с англ., под ред. А. Е. Браунштейна, М., 1979; Пирс А. Гистохимия, пер. с англ., М., 1962; Enzymes, ed. by P. D. Boyer, v. 7, N. Y.— L., 1972.

П. Л. Иванов (биохим.), А. Г. Уфимцева (гист.).