СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
Современная номенклатура ферментов допускает старые тривиальные названия (папаин, пепсин, трипсин, цитохромы) и названия по рациональной номенклатуре, согласно которой название фермента составляется из названия субстрата и окончания –аза (амилаза, липаза, протеаза). По научной номенклатуре название фермента составляют из химического названия субстрата, акцептора и названия той реакции, которая осуществляется ферментом, например, L-аланин:2-оксоглутарат аминотрансфераза.
Существует Международная классификация ферментов. Согласно ей все ферменты включены в «Каталог ферментов» под своим классификационным номером, состоящим из четырех цифр. Первая цифра указывает на принадлежность к одному из шести главных классов. Следующие две определяют подкласс и подподкласс, а последняя цифра – номер фермента в данном подподклассе. Например, лактатдегидрогеназа имеет номер КФ 1.1.1.27.
В основу классификации ферментов положен тип реакций, подвергающихся каталитическому воздействию. Классы ферментов:
|
|
1. Оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции.
2. Трансферазы – переносят ту или иную функциональную группу от одного субстрата на другой.
3. Гидролазы – также участвуют в переносе групп, однако акцептором всегда является молекула воды.
4. Лиазы (синтазы) – катализируют расщепление или образование химических соединений или образование химических связей, при этом образуются или исчезают двойные связи.
5. Изомеразы – перемещают группы в пределах одной молекулы.
6. Лигазы (синтетазы) – катализируют энергозависимые реакции присоединения и поэтому их действие сопряжено с гидролизом АТФ.
Оксидоредуктазы катализируют реакции, имеющие общий вид:
BH2 + A ↔ B + AH2
Характерной особенностью деятельности оксидоредуктаз в клетке является их способность образовывать системы окислительно-восстановительных ферментов, в которых осуществляется многоступенчатый перенос атомов водорода от первичного субстрата к конечному акцептору, обычно кислороду, с образованием воды.
Оксидоредуктазы, которые переносят протоны и электроны непосредственно на кислород, называются аэробными дегидрогеназами или оксидазами. Оксидоредуктазы, переносящие протоны и электроны от одного компонента окислительной цепи к другому без передачи на кислород, называются анаэробными дегидрогеназами или редуктазами.
Если фермент катализирует реакцию отнятия атомов водорода непосредственно от первичного субстрата, то его называют первичной дегидрогеназой.
|
|
Если фермент ускоряет снятие атомов водорода со вторичного субстрата, который сам ранее получил атомы водорода при помощи первичной дегидрогеназы, то его называют вторичной дегидрогеназой.
Другая особенность оксидоредуктаз состоит в том, что они ускоряют протекание химических процессов, связанных с высвобождением энергии.
Третья особенность оксидоредуктаз заключается в том, что имея несколько коферментов, они способны ускорять большое количество разных окислительно-восстановительных реакций. Один и тот же кофермент способен соединяться со многими апоферментами, образуя каждый раз оксидоредуктазу, специфичную по отношению определенному субстрату.
Самыми распространенными являются оксидоредуктазы, содержащие в качестве активной группы никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) – производное никотинамида, витамина РР.
окисленная форма НАД+ восстановленная форма НАДН+Н
Субстратами НАД-зависимых дегидрогеназ являются спирты, альдегиды, амины, дикарбоновые и кетокислоты. Все НАД-зависимые дегидрогеназы являются анаэробными дегидрогеназами, то есть посылают атомы водорода на ближайший в окислительной цепи другой фермент.
Примером НАД-зависимой дегидрогеназы является алкогольдегидрогеназа из печени животных. Фермент состоит из двух субъединиц, каждая из которых несет молекулу НАД+ и атом Zn. Он катализирует реакцию окисления спирта в альдегид:
спирт альдегид
Кроме НАД+ оксидоредуктазы содержат в качестве кофермента НАДФ+, у которого водород ОН-группы 2-го углеродного атома рибозы аденозина замещен на остаток фосфорной кислоты.
Партнером НАД-зависимых дегидрогеназ выступают флавопротеиды, например флавинмононуклеотид ФМН, производное витамина В2. Окисленная форма ФМН окрашена, она способна принимать два протона и два электрона, переходя в лейкоформу:
окисленная окрашенная форма ФМН восстановленная бесцветная форма ФМНН2
Другим коферментом во флавопротеинах является ФАД:
флавинадениндинуклеотид ФАД
Флавопротеины в большинстве случаев являются вторичными дегидрогеназами, однако некоторые флавопротеины, особенно с ФАД, могут непосредственно снимать атомы водорода с субстрата. Примером реакции с участием ФАД является окисление глюкозы глюкозооксидазой в глюконо-лактон. Глюкозооксидаза синтезируется плесневелыми грибами при рН 5–7. Фермент содержит две молекулы ФАД, высоко специфичен и стабилен. Применяют для получения D-глюконата кальция и удаления О2 из продуктов.
глюкоза глюкоза-6-фосфат
Коферментами оксидоредуктаз также являются хиноны – убихинон дыхательной цепи, пластохинон фотосинтезирующей системы хлоропластов. Они передают атомы водорода по окислительно-восстановительным цепям:
хинон гидроксихинон
Несколько оксидоредуктаз образуют цитохромную систему, имеющую в качестве простетических групп железопорфирины (геминовое железо). Они отличаются белковой частью. Обозначаются буквами a, b, c и d с индексами. Цитохромная система способна принимать электроны, снятые с восста-новленного убихинона. Она передает электроны далее по цепи цитохромов, в конце концов соединяя их с кислородом.
Трансферазы – один из наиболее обширных классов, специализи-руются на переносе функциональных групп с одного субстрата к другому. Делятся на подклассы в зависимости от характера переносимых групп.
Фосфотрансферазы – ускоряют реакцию переноса остатка фосфорной кислоты. Реакцией фосфорилирования обеспечивается превращение ряда органических соединений в фосфорные эфиры, обладающие повышенной химической активностью и более легко вступающие в последующие реакции. Перенос фосфатных групп идет на спиртовые, карбоксильные, азотсодержащие, фосфорсодержащие и другие группы. Донором фосфатных остатков является в большинстве случаев АТФ. Фосфотрансферазы, переносящие остаток фосфата с АТФ на белки, называются протеинкиназами. Они переносят фосфат на радикалы серина, треонина, тирозина, лизина и гистидина, в результате чего резко изменяется биологисческая активность ряда белков. Фосфотрансферазой является, например, гексокиназа – фермент, ускоряющий перенос остатка фосфорной кислоты от молекулы АТФ к глюкозе с образованием глюкозо-6-фосфата. Гексокиназа состоит из 4 субъединиц, каждая отдельная молекула лишена фосфотрансферазной активности. Обнаружено 5 изозимов гексокиназы:
|
|
глюкоза АТФ
глюкозо-6-фосфат АДФ
Ацилтрансферазы – ускоряют перенос ацилов (остатков карбоновых кислот) на аминокислоты, амины, спирты и другие соединения. Универсальным источником ацильных групп во всех этих реакциях является ацилкоэнзим А (ацил-СоА), чаще всего переносу подвергается ацетил. Одним из примеров реакции трансацилирования является синтез ацетилхолина холинацетилтрансферазой:
ацетил-СоА холин ацетилхолин СоА
Аминотрансферазы – ускоряют реакцию трансаминирования аминокислот с кетокислотами и очень важны для обеспечения биосинтеза аминокислот. Простетической группой аминотрансфераз является пиридоксальфосфат, производное витамина В6 (пиридоксина). Механизм реакции трансаминирования хорошо изучен. Ниже приведено суммарное уравнение и механизм реакции трансаминирования аланина с помощью фермента аланинаминотрансферазы (АЛТ).
Аланин + α-кетоглутарат ↔ пируват + глутамат.
аланин пиридоксальфосфат основание Шиффа
пируват пиридоксаминфосфат
α-кетоглутарат пиридоксаминфосфат основание Шиффа
глутамат пиридоксальфосфат
Важное значение среди трансфераз имеют ферменты, ускоряющие перенос одноуглеродных фрагментов, содержащие в качестве коферментов фолиевую кислоту и цианокобаламин.
Гликозилтрансферазы – ускоряют реакции переноса гликозильных остатков из молекул фосфорных эфиров или других соединений к молекулам моносахаридов, полисахаридов или других веществ. Примером может служить фермент УДФ-глюкоза:гликоген-4-α-глюкозилтрансфераза, который осуществляет наращивание молекул гликогена на один остаток глюкозы:
|
|
УДФ-глюкоза нередуцирующий конец
молекулы гликогена
увеличенный на один остаток глюкозы УДФ
нередуцирующий конец молекулы гликогена
Гидролазы – самая распространенная группа ферментов, не содержат коферментов, то есть являются по химической структуре простыми белками. В зависимости от характера гидролизуемого субстрата гидролазы делятся на ряд подклассов.
Эстеразы – катализируют реакции гидролиза сложных эфиров спиртов с органическими и неорганическими кислотами. Примером эстераз является липаза, которая ускоряет гидролиз сложноэфирных связей в молекулах жиров:
трипальмитилглицерин 2-монопальмитилглицерин пальмитат
Другим примером являются фосфатазы, катализирующие гидролиз фосфорных эфиров, например глюкозо-1-фосфатаза:
глюкозо-1-фосфат глюкоза
Гликозидазы – ускоряют реакцию гидролиза гликозидов. Обладают ярко выраженной пространственной специфичностью (α- и β-гликозидазы). Примером может служить сахараза, ускоряющая гидролиз сахарозы на глюкозу и фруктозу:
сахароза глюкоза фруктоза
Пептидазы – катализируют расщепление пептидных связей в белках и пептидах. Эндопептидазы катализируют гидролиз пептидных связей внутри молекулы, экзопептидазы – отщепление от полипептидной цепи концевых аминокислот (аминопептидазы и карбоксипептидазы). Существуют также дипептидазы, завершающие гидролиз белка. В зависимости от меха-низма действия эндопептидазы делятся на четыре подподкласса:
а) сериновые протеиназы, несут в активном центре остатки серина
и гистидина (трипсин, химотрипсин, субтилизин);
б) тиоловые тротеиназы, содержащие в активном центре цистеин (папаин,
фицин, бломелаин, катепсин В);
в) кислые протеиназы, имеющие оптимум рН ниже 5 и содержащие радикалы
дикарбоновых аминокислот в активном центре (пепсин, катепсин D);
г) металлопротеиназы, каталитическое действие которых зависит от ионов
металлов Са2+ и Zn2+ в активном центре (коллагеназа, термолизин).
Амидазы – ускоряют гидролиз амидов кислот. Из них важную роль играют уреаза, аспарагиназа и глутаминаза.
Уреаза была первым ферментом, полученным в кристаллическом виде. Это простой фермент, молекула его глобулярна и состоит из 8 одинаковых субъединиц. Уреаза обладает абсолютной специфичностью и ускоряет гидролиз мочевина до NH3 и СО2.
Аспарагиназа и глутаминаза ускоряют гидролиз амидов аспартата и глутамата, например:
аспарагин аспартат
К гидролазам, действующим на C-N связи, относится аргиназа. Она обладает абсолютной специфичностью и гидролизует аминокислоту аргинин на орнитин и мочевину:
аргинин мочевина орнитин
Лиазы – ускоряют негидролитические реакции распада органических соединений по связям C-C, C-N, C-O, C-S. При этом замыкаются двойные связи и выделяются такие простейшие продукты, как CO2, H2O, NH3. Некоторые из этих реакций являются обратимыми, и соответствующие ферменты в подходящих условиях катализируют реакции не только распада, но и синтеза.
Одной из важнейших групп этого класса являются углерод-углерод-лиазы. К ним относятся декарбоксилазы кето- и α-аминокислот и альдегид-лиазы. Представителем альдегид-лиаз является альдолаза, катализирующая обратимую реакцию расщепления фруктозо-1,6-дифосфата до фосфотриоз:
фруктозо-1,6-дифосфат дигидроксиацетонфосфат глицеральдегид-3-фосфат
В качестве коферментов декарбоксилазы кетокислот используют производное витамина В1 – тиаминпирофосфат, а декарбоксилазы α-амино-кислот – пиридоксальфосфат. Например, пируватдекарбоксилаза и лизин-декарбоксилаза катализируют следующие две реакции соответсвенно:
пируват ацетальдегид
лизин кадаверин
Другой важной группой лиаз являются углерод-кислород-лиазы, ускоряющие реакции гидратирования и дегидратирования при метаболизме углеводов и жирных кислот. Например, фумарат-гидратаза катализирует присоединение воды по двойной связи фумарата с образованием малата:
фумарат малат
Примером углерод-азот-лиаз может служить аспартат-аммиак-лиаза, ускоряющая реакцию прямого дезаминирования аспартата, фермент характерен для бактерий и ряда растений:
аспартат фумарат
Некоторые лиазы ускоряют реакции не только распада, но и синтеза. Например, из дрожжей выделен фермент L-серин-гидро-лиаза, отщепляющий от серина воду и присоединяющий сероводород, в результате чего синтезируется аминокислота цистеин. Подобные лиазы также называют синтазами. Следует отличать их от ферментов класса лигаз, которые ускоряют реакции только синтеза и именуются в связи с этим синтетазами. Серин-гидро-лиазу можно также назвать цистеинсинтазой:
серин цистеин
Изомеразы – немногочисленный класс ферментов, осуществляют внутримолекулярный перенос водорода, фосфатных и ацильных групп, перемещение двойных связей, изменение пространственного расположения атомных группировок.
Триозофосфатизомераза ускоряет перенос атомов водорода в процессе взаимопревращений глицеральдегид-3-фосфата и дигидроксиацетонфосфата:
глицеральдегид-3-фосфат дигидроксиацетонфосфат
Фосфоглицератфосфомутаза обеспечивает достаточную скорость превращения 2-фосфоглицерата в 3-фосфоглицерат и обратно:
3-фосфоглицерат 2-фосфоглицерат
Мутаротаза является стереоизомеразой, она ускоряет реакцию превращения α-D-глюкопиранозы в β-D-глюкопиранозу. К стереоизомеразам относятся также цис-транс -изомеразы, например ретинол-изомераза, переводящая транс -ретинол в цис- ретинол.
Изопентенилпирофосфат-изомераза катализирует реакцию перестройки изопентенилпирофосфата в диметилаллилпирофосфат, что связано с переме-щением двойной связи из 3-го во 2-е положение:
изопентенилпирофосфат фермент
фермент-субстратный комплект
диметилаллилпирофосфат фермент
Изопентенилпирофосфат-изомераза содержит свободные сульфгидрильные группы цистеина, благодаря которым обеспечивается приведенная выше реакция, имеющая огромное значение для синтеза изопреноидов.
Лигазы – ферменты, катализирующие синтез органических веществ в клетке. Главная их особенность – сопряженность синтеза с распадом АТФ. При отрыве от ее молекулы в присутствии лигаз одного или двух концевых остатков фосфорной кислоты выделяется большое количество энергии, используемой для активирования реагирующих веществ. Далее лигазы ускоряют соединение этих активированных субстратов.
К группе лигаз, образующих С-С-связи, относятся карбоксилазы. Например, пируваткарбоксилаза ускоряет реакцию образования оксалоацетата из пирувата и СО2:
пируват оксалоацетат
В качестве кофермента карбоксилазы используют активированную форму витамина Н (биотина) – карбоксибиотин:
биотин карбоксибиотин
Другим примером работы лигаз может служить ускорение реакции образования C-S-связей, осуществляемое ацил-коэнзим А-синтетазами. Ацетил-коэнзим А-синтетаза катализирует образование ацетил-коэнзима А из уксусной кислоты и коэнзима А:
ацетат коэнзим А ацетил-СоА
Ацетил-коэнзим А служит коферментом в реакциях трансацилирова-ния, поэтому действие ферментов этих двух групп – лигаз и ацилтрансфераз – тесно связано друг с другом.
1. Комов В.П. Биохимия / В.П.Комов, В.Н.Шведова – М.: Дрофа, 2004.
2. Петров А.А. Органическая химия / А.А.Петров, Х.В.Бальян, А.Т.Трощенко – С.-Пб.: Высшая школа, 2002.
3. Кнорре Д.Г. Биологическая химия / Д.Г.Кнорре, С.Д. Мызина – М.: Высшая школа, 2002.
4. Плакунов В.К. Основы энзимологии / В.К. Плакунов – М.: Логос, 2002.
5. Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами / под ред. Е.С. Северина, А.Я. Николаева – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2001.
6. Кольман Я. Наглядная биохимия: Пер. с нем. / Я.Кольман, К.-Г.Рём – М.: Мир. 2000.
7. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии / Ю.Б.Филиппович – М.: Высшая школа. 1999.
8. Геннис Р. Биомембраны: Молекулярная структура и функции: Пер. с англ. / Р. Геннис – М.: Мир, 1997.
9. Мари Р. Биохимия человека. Т.1-2 / Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэл – М.: Мир, 1993.
10. Ленинджер А. Основы биохимии. Т.1-3 / А. Ленинджер – М.: Мир, 1985.
11. Страйер Л. Биохимия. Т.1-3 / Л. Страйер – М.: Мир, 1984.
12. Уайт А. Основы биохимии. Т.1-3 / А. Уайт, Ф. Хендлер, Э. Смит – М.: Мир, 1981.
13. Степаненко Б.Н. Химия и биохимия углеводов / Б.Н. Степаненко – М.: Высшая школа, 1977.