КАРБОГИДРАЗЫ

КАРБОГИДРАЗЫ (О-гликозид-гидролазы; КФ 3.2.1) — большая группа ферментов, относящихся к классу гликозидаз и катализирующих гидролитическое расщепление О-гликозидной связи в самых различных гликозидах, олиго- и полисахаридах, а также в углеводсодержащих соединениях. Генетически обусловленная частичная или полная недостаточность этих ферментов является причиной тяжелых наследственных заболеваний (мукополисахаридозов, гликолипидозов, гликопротеинозов и др.), активность некоторых карбогидраз используется в клинике как дополнительный диагностический тест при ряде заболеваний (остром панкреатите и др.). Препараты некоторых К. используются в клин, практике в качестве лекарственных средств (ронидаза, лидаза и др.). Многие К. способны также катализировать реакцию трансгликозилирования, т. е. перенос гликозильного остатка с одного Сахара на другой. Специфичность действия К. определяется гл. обр. конфигурацией расщепляемой гликозидной связи (α или β), a также природой гликозидного остатка.

В зависимости от субстратной специфичности и механизма действия существуют различные классификации К. Согласно одной из них К. подразделяются на три основных типа. Гликозидазы (напр., бета-глюкозидаза, бета-галактозидаза, бета-N-ацетилглюкозаминидаза, альфа-глюкозидаза) — отщепляющие концевой моносахаридный остаток от гликозидов, низкомолекулярных олиго-сахаридов или от олигосахаридных цепей гликолипидов, гликопептидов и гликопротеидов с сохранением при гидролизе аномерной конфигурации (альфа или бета) и трансгликозилированием. Эндогликаназы (лизоцим, альфа-амилаза, эндоламинариназа, гиалуронидаза) — расщепляющие гликозидную связь, к-рая удалена от начального и концевого остатков гомо- или гетерополисахаридов. Такой гидролиз протекает с сохранением конфигурации молекулы субстрата и сопровождается трансгликозилированием. Экзогликаназы (глюкоамилаза, бета-амилаза, экзоламинариназа) — отщепляющие концевые остатки моно- или олигосахарида от гомополисахарида с обращением аномерной конфигурации. Эти ферменты обычно не обладают трансгликозилирующей активностью.

В основу другой, более общей классификации положено свойство К. гидролизовать О-гликозидную связь, что отличает эту группу ферментов от других типов гликозидаз, расщепляющих N-гликозидную (КФ 3.2.2) и S-гликозидную связи (КФ 3.2.3).

К. широко распространены в природе. Они входят в состав пищеварительных соков, находятся в слизистой оболочке кишечника, присутствуют в клетках животных, растений и микроорганизмов.

В 50—70-х гг. 20 в. изучение К. ознаменовалось большими успехами. Некоторые из этих ферментов были получены в гомогенном состоянии и было выяснено их хим. строение, свойства и субстратная специфичность. К большим достижениям энзимологии, несомненно, можно отнести установление с помощью рентгеноструктурного анализа трехмерной структуры лизоцима — первого фермента, относящегося к К., каталитические свойства к-рого стали ясны на основе знаний о расположении атомов в его молекуле (см. Лизоцим).

В нормальной клетке большинство К. находится в липопротеидами (см.).

Несмотря на то, что в лизосомах содержится несколько десятков К., отличающихся по своей специфичности, эти ферменты имеют ряд общих свойств. Прежде всего лизосомных К. характеризуются как «кислые» ферменты. Для большинства из них оптимум pH составляет примерно 5,0, что, по-видимому, совпадает с pH среды внутри лизосом. В неочищенном состоянии лизосомные К. обладают повышенной устойчивостью к аутолизу (см.) и практически не изменяют общую ферментативную активность при 37° и pH 4,0—5,0 в течение 10—50 час.

Совершенствование методов выделения субклеточных фракций позволило обнаружить К. не только в лизосомах, но и в растворимой фракции цитоплазмы, в цитоплазматических мембранах, эндоплазматическом ретикулуме и даже в мембранах пластинчатого комплекса (см. Галактозидазы). N-Ацетил-бета-глюкозаминидаза обнаружена в лизосомных и плазматических мембранах. Такой типично лизосомный фермент, как альфа-D-маннозидаза, был обнаружен в цитоплазматической фракции и в мембранах пластинчатого комплекса.

Установлено, что многие К. существуют в различных молекулярных формах, отличающихся по физ.-хим. свойствам: мол. весу, электрофоретической подвижности, изоэлектрическим точкам, оптимуму pH, влиянию активаторов и ингибиторов на активность и т. д. (см. Изоферменты). Формы К. могут отличаться друг от друга по субклеточной локализации и по-разному действовать на синтетические и природные субстраты. При этом могут быть самые различные вариации в специфичности форм К. У человека, напр., описана одна из форм бета-галактозидазы, специфически гидролизующая только природные гетерогалактозиды и не расщепляющая синтетические галактозиды; другая форма этого фермента гидролизует оба типа субстратов.

Кроме участия во внутриклеточном переваривании углеводсодержащих соединений в лизосомах, К. играют важную роль в различных биол, процессах. Лизосомные К. участвуют в особой форме аутолиза—аутофагии, к-рая предохраняет клетку от необратимых изменений в условиях голодания и при других неблагоприятных воздействиях. Предполагается, что К. вместе с другими лизосомными ферментами обеспечивают механизм, обусловливающий клеточное деление. Вероятно, важную роль играют К. и в процессах оплодотворения при проникновении сперматозоидов в яйцеклетку (см. Гиалуронидаза). Имеются данные об участии некоторых К., в частности p-глюкуронидазы, в процессах эмбрионального развития и в эпителизации при заживлении ран. Уже не вызывает сомнений роль различных К. фагов в инфицировании бактериальных клеток.

Открытие большой группы тяжелых наследственных заболеваний человека, связанных с частичной или полной недостаточностью К., показало важнейшую роль этих ферментов в распаде углеводсодержащих соединений. При отсутствии какой-либо К. в результате генетического дефекта у человека развиваются тяжелые заболевания, при которых в лизосомах накапливаются нерасщепляющиеся углеводсодержащие соединения. Именно поэтому наследственные болезни, возникающие в результате отсутствия К., называют болезнями накопления или лизосомными болезнями. В зависимости от природы накапливаемого продукта различают болезни накопления, называемые мукополисахаридозами (болезни Гурлер, Гюнтера, Санфилиппо и др.), гликолипидозами (болезни Гоше, Тея — Сакса, Краббе и др.), гликопротеинозами (фукозидоз, маннозидоз, ксилозидоз и др.). К этой же группе заболеваний относится и гликогеноз II типа (болезнь Помпе).

В диагностике наследственных нарушений, связанных с недостаточностью той или иной К., достигнуты большие успехи. Разработка высокочувствительных методов определения активностей К. с использованием w-нитрофенильных или метилумбеллиферильных производных различных сахаров в качестве субстратов позволяет не только выявлять значительное снижение или полное отсутствие активности определенных К. в плазме крови, лейкоцитах, культуре фибробластов или в моче больного, но и в ряде случаев проводить пренатальную диагностику наследственного заболевания с помощью амниоцентеза (см.).

Кроме наследственных болезней, развивающихся при генетически обусловленной недостаточности лизосомных К., существует еще одна группа болезней, при к-рой больные страдают непереносимостью Амилазы) происходит интенсивное расщепление крахмала и гликогена, к-рое начинается в ротовой полости под действием альфа-амилаз слюны. Дисахариды и олигосахариды, образующиеся в результате гидролиза полисахаридов и поступающие с пищей, далее расщепляются дисахаридазами слизистой оболочки тонкого кишечника до соответствующих моносахаридов, которые всасываются затем в кровь. В щеточной кайме цилиндрического эпителия тонкого кишечника обнаружены 6 дисахаридаз: два типа мальтаз, изомальтаза-мальтаза, инвертаза-мальтаза, лактаза и трегалаза. Отсутствие или значительное снижение активности одной из перечисленных дисахаридаз приводит к непереносимости дисахаридов с появлением у больных болей в животе, диареи, выделением дисахаридов с калом, а в более тяжелых случаях вызывает поражение печени и почек. Из различных видов наследственной непереносимости дисахаридов наиболее часто встречаются заболевания, связанные с недостаточностью инвертазы-изомальтазы (непереносимость сахарозы) и лактазы (непереносимость лактозы).

Изменение активности некоторых К. довольно широко используется в клинике в диагностических целях. Так, резкое повышение активности в крови и моче широко распространенной К.,— альфа-амилаза (старое название «диастаза») часто служит диагностическим тестом, напр, при остром панкреатите. При заболеваниях, связанных с нарушением обменных процессов в соединительной ткани, также наблюдается изменение активности некоторых К. в крови и моче. Необходимо отметить, что, в отличие от наследственных болезней, при которых недостаточность активности той или иной К. является строго специфичной, при ненаследственных нозоформах изменение активности К. часто является вторичным процессом, что необходимо учитывать при дифференциальной диагностике.

Библиография: Видершайн Г. Я. Гликозидазы в нормальной клетке и при наследственных нарушениях распада углеводсо-дершащих соединений, в кн.: Усп. биол, хим., под ред. Б. Н. Степаненко, т. 18, с. 185, М., 1977; Хор л ин А. Я. Активные центры карбогидраз, в кн.: Структура и функции активных центров ферментов, под ред. Ю. М. Торчинского, с. 39, М., 1974.

Г. Я. Видершайн.