Номенклатура лигаз (синтетаз)

Шестой класс ферментов (лигазы, синтетазы) недаром имеет название похожее на название четвертого класса ферментов (лиазы, синтазы), поскольку класс лигаз составляют ферменты, катализирующие реакции конденсации или присоединения, как и лиазы, но сопряженные с реакциями расщепления одной из пирофосфатных связей в молекуле нуклеозидтрифосфата (обычно АТФ или ГТФ). Таким образом, в реакциях, катализируемых лигазами, обязательно участвует АТФ или ГТФ.

Разделение лигаз на подклассы связано с типом образуемой связи. К первому подклассу лигаз 6.1. относятся ферменты, катализирующие реакции, в которых образуется углерод-кислородная связь. В качестве примера рассмотрим общую реакцию конденсации α-аминокислоты по 3′-гидроксильной группе концевого остатка рибозы транспортной РНК (тРНК). Этот процесс осуществляется в две стадии.

1). Образование аминоацил-тРНК (активация аминокислот):

Первая стадия:

Сначала аминокислота связывается с ферментом и реагирует с АТФ, образуя макроэргический смешанный ангидрид – аминоациладенилат, а на второй стадии аминоацильный остаток переносится на концевую 3′-ОН-группу концевого остатка рибозы тРНК с образованием аминоацил-тРНК.

Вторая стадия:

Суммарное уравнение реакции образования аминоацил-тРНК записывается следующим образом:

Ферменты, катализирующие реакцию образования аминоацил-тРНК, обладают высокой субстратной специфичностью. Для каждой из 20 протеиногенных α-аминокислот имеется свой фермент, который в цитоплазме соединяет аминокислоту с тРНК.

Систематические названия ферментов шестого класса образуются либо из названия продукта реакции в сочетании со словом синтетаза, либо из названий субстратов в сочетании со словом лигаза.

Систематическое название конкретной аминокислота:-тРНК-лигазы включает название аминокислоты, тРНК и окончание лигаза (через знак -) – глицин-тРНК-лигаза, аланин-тРНК-лигаза и т.д. или глицил-тРНК-синтетаза, аланил-тРНК-синтетаза и т.д.

К подклассу 6.2. относятся лигазы, катализирующие образование связей углерод-сера. Примером такого рода реакций может служить реакция образования активированных жирных кислот при их взаимодействии с коферментом A (СоА). В отличие от предыдущей группы ферментов, субстратная специфичность этого фермента низка.

2). Образование активированных тиоэфиров жирных карбоновых кислот:

Фермент КФ 6.2.1.3. катализирует реакции различных жирных кислот с длинной цепи от С₄ и более. Поэтому его название по систематической номенклатуре - жирная кислота:СоА-лигаза или ацил-СоА-синтетаза. Аналогичные реакции с низшими карбоновыми кислотами (уксусной и пропионовой) катализируются отдельными ферментами этого подподкласса.

3). Активирование уксусной кислоты:

Например, реакция ацетата с коферментом А катализируется ферментом КФ 6.2.1.1., который соответственно называется ацетат:СоА-лигаза или ацетил-СоА-синтетаза.

Ферменты подкласса 6.3. катализируют многочисленные реакции введения азотсодержащих групп в органические соединения, т.е. катализируют образование связи углерод-азот. Они в свою очередь делятся на ряд подподклассов. В качестве примера рассмотрим важнейшие подподклассы. Подподкласс 6.3.1. – амидсинтетазы катализируют реакции образования амидов.

4). Образование аспарагина из аспарагиновой кислоты:

Эта реакция катализируется аспарагинсинтетазой (аспарагинат-аммоний-лигаза). Аналогичная реакция образования глутамина из глутаминовой кислоты катализируется глутаминсинтетазой (КФ 6.3.1.2.).

Образование амидов может осуществляться не только при реакциях карбоновых кислот с аммиаком, но и с глутамином. В качестве примера рассмотрим две реакции образования НАД⁺ из никотинатадениндинуклеотида с частием иона аммония и глутамина. Ферменты, катализирующие образование НАД⁺ называют НАД-синтетазами. Реакция никотинатадениндинуклеотида с ионом аммония катализируется ферментом КФ 6.3.1.5., который по систематической номенклатуре называется никотинатадениндинуклеотид-аммоний-лигаза, а с глутамином - никотинатадениндинуклеотид-глутамин-лигазой.

5). Образование НАД⁺ с участием иона аммония или глутамина:

Подподкласс 6.3.2. составляют синтетазы, катализирующие образование пептидной связи, например, образование пантотената.

6). Образование пантотената:

Систематическое название фермента КФ 6.3.2.1. – пантотенатсинтетаза.

Подподкласс 6.3.3. составляют цикло-лигазы – ферменты, катализирующие реакции циклизации с образованием связи С-N. В качестве примера рассмотрим первый представитель этого подподкласса - фермент КФ 6.3.3.1., катализирующий реакцию образования имидазольного цикла. Эта реакция является узловой в ферментативном синтезе пуриновых гетероциклов. В отличие от рассмотренных выше примеров, АТФ в этой реакции гидролизуется до АДФ и гидрофосфата (см. реакцию 7).

7). Циклизация N′-(5-фосфорибозил)-N-формилглициламидина в 1-(5′-фосфорибозил)-5-аминоимидазол:

По с истематической номенклатуре фермент КФ 6.3.3.1. называется 1-(5′-фосфорибозил)-5-аминоимидазолсинтетаза.

Подподкласс 6.3.4. составляют различные углерод-азот-лигазы, катализирующие образование связи углерод-азот с участием различных функциональных групп. В качестве примера можно привести следующие реакции.

8). Образование гуанозинмонофосфата (ГМФ):

По систематической номенклатуре фермент КФ 6.3.4.1. называется гуанозинмонофосфатсинтетаза.

9). Образование аргининосукцината:

10). Образование карбомоилфосфата:

По систематической номенклатуре ферменты КФ 6.3.4.5. и КФ 6.3.4.16. называются соответственно аргининосукцинатсинтетаза и карбомоилфосфат-синтетаза.

К подклассу 6.4. относятся лигазы, катализирующие образование связей углерод-углерод. Этот подкласс в основном составляют ферменты, катализирующие присоединение СО₂ к углеродному скелету молекулы. Кофактором этих ферментов является биотин, который выполняет функцию промежуточного переносчика СО₂.

Примером такого рода реакций могут служить реакции карбоксилирования пирувата, ацетил-КоА и др. В соответствии с названием реакции эти ферменты называются карбоксилазами.

11). Карбоксилирование пирувата:

Фермент КФ 6.4.1.1. называется пируваткарбоксилаза.

12). Карбоксилирование ацетил-КоА:

Фермент КФ 6.4.1.2. называется ацетил-КоА-карбоксилаза.

К последнему подклассу 6.5. этого класса ферментов относятся лигазы, катализирующие реакции образования связей фосфор-кислород. Этот подкласс составляют ДНК- и РНК-лигазы.

13). Образование полидезоксирибонуклеотида:

Первая стадия – взаимодействие фермента с АТФ:

Эти ферменты катализируют трехстадийный процесс соединения олигонуклеотидов с участием концевой 5′-фосфомоноэфирной группы одного олигонуклеотидного фрагмента с 3′-гидроксигруппой другого. Рассмотрим процесс соединения двух фрагментов в единую цепь на примере работы ДНК-лигазы (КФ 6.5.1.1.). На первой стадии АТФ реагирует с ферментом, фосфорилируя гидроксигруппу остатка серина в активном центре. На этой стадии не участвуют ни донор, ни акцептор.

На второй стадии происходит взаимодействие аденилового производного фермента по 5′-фосфомоноэфирной группе одного из олигонуклеотидных фрагментов (донор) с образованием смешанного ангидрида донора и АМФ и высвобождением фермента.

Вторая стадия – взаимодействие аденилового производного фермента с донором:

На третьей стадии происходит взаимодействие смешанного ангидрида с другой молекулой олигодезоксирибонуклеотида по его концевой 3′-гидроксигруппе. Как видно из механизма процесса, фермент осуществляет только одну стадию каталитического превращения. Лишь после добавления олигодезоксирибонуклеотидов процесс входит в каталитический режим – каталитическое накопление полидезоксирибонуклеотида.

Следует отметить, что рассматриваемое взаимодействие проходит в процессе репликации ДНК только в составе двухнитевой структуры.

Третья стадия – взаимодействие смешанного ангидрида с акцептором:

Фермент ДНК-лигаза называется также полидезоксирибонуклеотидсинтетаза.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ, ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ

1. Какие вещества называют ферментами?

2. Известны ли каталитически активные вещества не белковой природы?

3. Что изучает дисциплина энзимология?

4. Что лежит в основе классификации ферментов?

5. На сколько классов делятся все ферменты?

6. Что означает первая цифра в классификационном номере фермента?

7. Реакции какого типа катализируют лиазы?

8. Реакции межмолекулярного переноса различных групп катализируют трансферазы. А какие ферменты катализируют внутримолекулярный перенос групп?

9. Межмолекулярные окислительно-восстановительные реакции катализируют оксидоредуктазы. А какие ферменты катализируют внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции?

10. Какие ферменты катализируют реакции соединения молекул с участием нуклеозидтрифосфатов?

11. Чем отличаются реакции, катализируемые синтазами, от реакций, катализируемых синтетазами?

12. Какие реакции катализируют дегидрогеназы?

13. Какие реакции катализируют оксидазы?

14. Какие реакции катализируют монооксигеназы и диоксигеназы?

15. Что является критерием для деления трансфераз на подклассы?

16. Что является критерием для деления гидролаз на подклассы?

17. Что означает третья цифра в классификационном номере оксидоредуктаз?

18. Есть ли в организме неферментативные реакции?

19. Назовите по систематической номенклатуре фермент пируватдекарбоксилаза.

20. Назовите по тривиальной номенклатуре фермент глутамат:ГАМК-лиаза.

21. Все ли реакции с участием АТФ катализируются лигазами?

22. Приведите примеры реакций с участием ФАД, ТГФ, ТПФ, пиридоксальдифосфата, убихинола.

23. Напишите полные уравнения реакций, катализируемых ферментами:

· Алкогольдегидрогеназа;

· 3-Гидроксиизобутиратдегидрогеназа;

· Изоцитратдегидрогеназа;

· Пиридоксин-4-дегидрогеназа;

· Изоцитратдегидрогеназа;

· Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа;

· Глюкозооксидаза;

· Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа;

· Пируват:липоамид-оксидоредуктаза (декарбоксилирующая);

· Сукцинатдегидрогеназа (ФАД);

· Тирозин-3-монооксигеназа (тетрагидроптеридин);

· Триптофан-2,3-диоксигеназа;

· Триптофан-5-монооксигеназа (тетрагидроптеридин);

· Цистеиндиоксигеназа;

· 4-Гидроксифенилпируватдиоксигеназа (декарбоксилирующая);

· Фенилаланин-4-монооксигеназа (тетрагидроптеридин);

· Норадреналин N-метилтрансфераза;

· Серин-гидроксиметилтрансфераза (ТГФ);

· Глутамат:карбомоилфосфат-карбомоилтрансфераза;

· Глицерофосфат:ацил-КоА-ацилтрансфераза;

· Аспартат-аминотрансфераза;

· Аланин-аминотрансфераза;

· НАД⁺ киназа;

· Рибофлавинкиназа;

· Глутаматкиназа;

· Тиаминпирофосфокиназа;

· Цитидиндифосфат-этаноламин: диацил-трансфераза;

· Триацилглицерин-липаза;

· Ацетилхолинэстераза;

· О-Фосфосерин фосфатаза;

· α-Амилаза;

· Аспарагиназа;

· Пируватдекарбоксилаза (ТПФ);

· Глутаматдекарбоксилаза;

· Фосфатидилсериндекарбоксилаза;

· Фумаратгидратаза;

· Аспартат:аммиак-лиаза;

· Фосфоглицератмутаза;

· Ацил-КоА-синтетаза;

· Карбомоилфосфатсинтетаза.

24. Назовите по систематической или тривиальной номенклатуре ферменты, катализирующие нижеприведенные реакции, и определите первые три цифры их классификационных номеров: