Щелочная фосфатаза

Щелочная фосфатаза (ЩФ, ALP) — это фермент из группы гидролаз, который катализирует реакцию отщепления фосфатной группы от органических соединений (фосфорных эфиров) в щелочной среде (оптимум pH 8,5–10,0). В организме человека и животных щелочная фосфатаза присутствует практически во всех тканях, но наибольшая активность наблюдается в костной ткани, печени, желчных протоках, кишечнике и плаценте. Определение уровня ЩФ в сыворотке крови является рутинным биохимическим тестом, используемым для диагностики заболеваний печени, костной системы и других патологий.

История открытия

Впервые щелочная фосфатаза была описана в 1907 году британским биохимиком Джоном Холдейном, который изучал гидролиз фосфорных эфиров в тканях. В 1912 году американский физиолог Роберт Робинсон выделил фермент из костной ткани и показал его роль в процессе минерализации костей. В 1920-х годах были разработаны первые методы количественного определения активности ЩФ в сыворотке крови, что позволило использовать её в клинической практике. В 1930-х годах было установлено, что повышение уровня ЩФ связано с заболеваниями печени и костей, а в 1950-х годах — с патологиями плаценты при беременности.

Структура и свойства

Щелочная фосфатаза представляет собой гликопротеин, состоящий из двух идентичных субъединиц (димер), каждая из которых содержит активный центр с ионами цинка (Zn²⁺) и магния (Mg²⁺), необходимыми для каталитической активности. Молекулярная масса фермента варьирует от 70 до 120 кДа в зависимости от изоформы. Фермент стабилен в щелочной среде, но быстро инактивируется при pH ниже 5,0. Оптимальная температура для его активности составляет 37 °C.

Изоформы

В организме человека выделяют несколько тканеспецифичных изоформ щелочной фосфатазы, которые различаются по структуре, электрофоретической подвижности и функциям:

• Костная изоформа — продуцируется остеобластами (клетками, формирующими костную ткань). Участвует в минерализации костей, гидролизуя пирофосфат, который ингибирует отложение кристаллов гидроксиапатита.
• Печёночная изоформа — синтезируется в гепатоцитах и эпителии желчных протоков. Выводится с желчью, её уровень повышается при застое желчи (холестазе).
• Кишечная изоформа — локализуется в слизистой оболочке тонкого кишечника, участвует в всасывании фосфатов и липидов.
• Плацентарная изоформа — появляется в крови беременных женщин, начиная со второго триместра. Её уровень коррелирует с состоянием плаценты.
• Почечная изоформа — обнаруживается в канальцах почек, но её клиническое значение невелико.

Физиологическая роль

Основная функция щелочной фосфатазы — участие в метаболизме фосфора и кальция. В костной ткани фермент обеспечивает гидролиз органических фосфатов, что создаёт локальное повышение концентрации неорганического фосфата, необходимого для формирования кристаллов гидроксиапатита. В печени ЩФ участвует в дефосфорилировании различных субстратов, включая липопротеины и билирубин, а также способствует выведению фосфатов с желчью. В кишечнике фермент помогает всасыванию фосфатов из пищи. У беременных плацентарная ЩФ регулирует транспорт фосфатов через плаценту к плоду.

Клиническое значение

Определение активности щелочной фосфатазы в сыворотке крови — стандартный биохимический анализ, используемый в диагностике и мониторинге заболеваний. Референтные значения зависят от возраста, пола и метода исследования, но в среднем для взрослых составляют 30–120 Ед/л. У детей и подростков уровень ЩФ выше из-за активного роста костей (до 500 Ед/л), а у пожилых людей — незначительно повышен из-за возрастных изменений костной ткани.

Повышение уровня ЩФ

Повышение активности ЩФ (гиперфосфатаземия) наблюдается при следующих состояниях:

• Заболевания печени и желчевыводящих путей: холестатический гепатит, цирроз печени, обтурация желчных протоков (камни, опухоли), первичный билиарный цирроз, лекарственный холестаз.
• Костные заболевания: болезнь Педжета (деформирующий остеоз), остеомаляция, рахит, гиперпаратиреоз, метастазы злокачественных опухолей в кости (особенно при раке молочной железы, простаты, лёгких).
• Физиологические состояния: беременность (третий триместр), период активного роста у детей, после переломов костей.
• Другие причины: инфаркт миокарда (редко), язвенный колит, саркоидоз, сепсис, приём некоторых лекарств (например, фенитоина, барбитуратов).

Снижение уровня ЩФ

Снижение активности ЩФ (гипофосфатаземия) встречается реже и может быть связано с:

• Гипофосфатазией — редким наследственным заболеванием, вызванным мутациями гена ALPL, кодирующего костную изоформу ЩФ. Проявляется нарушением минерализации костей, рахитом, преждевременной потерей зубов.
• Дефицитом цинка или магния — микроэлементов, необходимых для активности фермента.
• Тяжёлой анемией, гипотиреозом, недостаточностью питания.
• Приёмом некоторых препаратов (например, глюкокортикоидов, оральных контрацептивов).

Методы определения

Активность щелочной фосфатазы измеряют колориметрическими методами, основанными на гидролизе синтетических субстратов (например, p-нитрофенилфосфата). В ходе реакции образуется окрашенный продукт (p-нитрофенол), интенсивность которого измеряют спектрофотометрически. Для дифференциации изоформ используют электрофорез, термоинактивацию (костная изоформа менее термостабильна) или иммунохимические методы.

Дифференциальная диагностика

Для уточнения причины изменения уровня ЩФ проводят дополнительные исследования:

• Определение уровня гамма-глутамилтрансферазы (ГГТ) — одновременное повышение ЩФ и ГГТ указывает на патологию печени.
• Определение уровня кальция и фосфора в крови — помогает выявить костные заболевания (например, гиперпаратиреоз).
• Рентгенография или сцинтиграфия костей — при подозрении на метастазы или болезнь Педжета.
• Биопсия печени — при подозрении на первичный билиарный цирроз.

Интересные факты

• Щелочная фосфатаза используется в молекулярной биологии как фермент для дефосфорилирования ДНК и РНК, что предотвращает их лигирование (например, при клонировании генов).
• У некоторых животных (например, у коров) активность ЩФ в молоке используется как показатель качества и свежести продукта.
• В спортивной медицине уровень ЩФ может повышаться после интенсивных физических нагрузок, что связано с микротравмами костной ткани.

Источники

• Биохимия: учебник / под ред. Е. С. Северина. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2015.
• Клиническая лабораторная диагностика: национальное руководство / под ред. В. В. Долгова, О. П. Шевченко. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2012.
• Harrison's Principles of Internal Medicine, 20th Edition, McGraw-Hill, 2018.
• Moss D. W. Alkaline phosphatase isoenzymes // Clinical Chemistry, 1982, vol. 28, no. 10, pp. 2007–2016.
• Whyte M. P. Hypophosphatasia: an overview // Journal of Bone and Mineral Research, 2016, vol. 31, no. 7, pp. 1321–1332.