Современная номенклатура и классификация ферментов

Действующая в настоящее время классификация и номенклатура ферментов предусматривает следующие основные положения.

Номенклатура ферментов. В настоящее время принято два типа названий ферментов: рабочее, или тривиальное, и систематическое. Рабочее на­звание складывается из названия субстрата, типа катализируемой реак­ции и окончания -аза. Например:

лактат + дегидрогенизация + аза = лактатдегидрогеназа

Оставлены прежние рабочие названия для ряда давно известных фермен­тов: пепсин, трипсин, химотрипсин и т. д.

Систематическое название фермента образуется сложнее. Оно складывается из названий субстратов химической реакции, на которую действует фермент, названия типа катализируемого химического превраще­ния н окончания -аза. Например, систематическое название фермента лактат- дегидрогеназы пишется так:

L-Лактат: НАД⁺ — Оксидоредуктаза

субстрат I субстрат II т«п химического

Систематическое название дается только изученным ферментам.

Классификация ферментов. Все ферменты разделены на шесть классов, каждый из которых имеет строго определенный номер: I) оксидоредуктазы, 2) трансферазы; 3) гидролазы; 4) лиазы; 5) изомеразы; 6) лигазы (син- •тетазы).

Название класса указывает на тип химической реакции, катализиру­емой ферментами. Следовательно, имеется шесть основных типов фермента­тивных реакций. Классы делятся на подклассы, а те, в свою очередь, на подподклассы. Число подклассов в каждом классе так же, как и число под- подклассов в подклассе, варьирует. Подкласс уточняет действие фермен­та, так как указывает в общих чертах на природу химическои группы субстрата, атакуемой ферментом. Подподкл асс еще более конкретизирует действие фермента, уточняя природу, атаку­емой связи субстрата илн природу акцептора, которым участвует в реакции.. Система классификации предусматривает для каждого фермента специальный шифр, состоящий из четырех кодовых чисел, разде­ленных точками: 126

Лактатдегидрогеназа I I I 27

номер класса-- ^ ft"

номер подкласса! i

номер полподкласса 1

порядковый номер в подклассе

Всем новым ферментам шифр присваивает только Международный комитет по ферментам.

Характеристика отдельных классов ферментов

Оксидоредуктазы - фермснти, катализирующие реакций окислеНия-висоа- новления. Оксидоредуктазы подразделяются на 17 подклассов. Субстрат, под­вергающийся окислению оксидоредуктазами, рассматривается как донор во­дорода. Поэтому ферменты этого класса называют дегидрогеназами или, реже, редуктазами. В тех случаях, когда акцептором служит 0₂, употребляет­ся термин оксидаза, а если при бкисленин молекула 0₂ включается прямо в субстрат, то оксигеназа. Систематическое название ферментов данного класса составляется так: донор: акцептор — оксидоредуктаза, например: Н

СН₃-(1-СООН + НАД* Лаитатдегндрогеназ_С^__С__{СООН + н}дд. _Н + Н" "

J, «

он о

Оксидоредуктазы — очень распространенный класс, насчитывающий около 480 ферментов. Большую роль они играют в энергетических процессах.

Трансферазы — ферменты, катализирующие реакции переноса различных групп от одного субстрата (донор) к другому (акцептор). Трансферазы под­разделяются на 8 подклассов в зависимости от строения переносимых ими групп. Ферменты, катализирующие перенос метильных групп, называют метил- трансферазами, аминных — аминотрансферазами и т. д. В принципе к транс- феразам можно отнести и оксидоредуктазы, если считать главным не процесс окисления-восстановления, а перенос группы от донора к акцептору, сопро­вождающийся окислением-восстановлением. Эти ферменты можно назвать протонтрансферазами, электронтрансферазами и т. д.

Систематическое название складывается по типу, акцептор — группа — трансфераза или донор — группа—трансфераза. Чаще всего донором в ре­акциях, катализируемых трансферазами, является кофактор, содержащий группу, подлежащую переносу, например:

Холкнаштилтрансфераза

CHj-C~SKoA + НО—СН₂—СН₅—N- (СН₃)₃ < -КоА + СН₃—С—О—СН_г—СН_а—N-{CH₃)_S

Трансферазы — примерно столь же распространенные ферменты, как и окси­доредуктазы. Они участвуют в реакциях взаимопревращения различных ве­ществ, синтезе мономеров, обезвреживании природных и чужеродных соеди­нений.

Гидролазы—ферменты, катализирующие разрыв связей в субстратах с присоединением воды. Гидролазы подразделяются на 11 подклассов. Три­виальное название гидролаз образуется путем присоединения к названию субстрата окончания -аза. Систематическое название обязательно содержит термин гидролаза. В принципе их также можно отнести к трансферазам, поскольку гидролиз можно рассматривать как перенос специфической группы субстрата, являющегося донором, на молекулу воды, служащей акцептором. Однако роль воды как акцептора считается главной в действии этих фермен­тов, поэтому данные ферменты выделены в отдельный класс гидролаз. На­пример:

OR' OR'

II I 11 I

HjN-CH—С—N—СН—СООН + Н_гО- ■ —СН—С—ОН + H; N—СН—СООН

II I

Класс гидролаз насчитывает примерно 460 ферментов. Гидролазами являются пищеварительные ферменты, ферменты, входящие в состав лизо- сом и других органоидов клетки, где они способствуют распаду более крупных биомолекул на простые.

Лиазы — ферменты, катализирующие реакции разрыва связей в субстра­те без присоединения воды или окисления. Лиазы подразделяются на четыре подкласса.

Систематическое название составляется по принципу субстрат—груп­па— лиаза. В тривиальных названиях лиаз указывается особенность учас- ■ тия групп в реакциях — карбоксилаза (присоединение карбоксильной группы), дегидратаза (отнятие молекулы воды от субстрата) и т. д. Если необходимо подчеркнуть образование субстрата из двух субстратов более простого строения, то в названии лиаз употребляется термин синтаза (но не синтетаза), например цитратсинтаза.

Пример реакции, катализируемой лиазой: СН_а-С—СООН Пируитумр^сами сн₃—с—н + со_г II п

Лиазы — менее распространенная группа ферментов (около 230), участвую­щих в реакциях синтеза и распада промежуточных продуктов обмена.

Изомеразы — ферменты, катализирующие превращения в пределах одной молекулы. Они вызывают внутримолекулярные перестройки. Изомеразы под­разделяются на пять подклассов. Названия ферментов складываются в за­висимости от типа реакции изомеризации: мутазы, таутомеразы, рацемазы, эпимеразы, изомеразы и т. д.:

н-с=о ^ Н.-С-ОН

СН₂—OPOjH, ^Н₂-ОРО_аН₂

D днгидроина четок Ф^Ф"

Изомеразы — небольшая группа ферментов (чуть более 80), играющая важ­ную роль в восстановлении биологической активности молекул, в переключе­нии использования метаболитов на разных путях обмена веществ.

Лигазы (синтетазы). Это ферменты, катализирующие соединение двух молекул с использованием энергии фосфатной связи. Источником энергии в реакциях, катализируемых синтетазами, является АТФ или другие нуклеозид- трифосфаты. Например:

/NH₂

с=о I

+ NH₃ + АТФ -AUL

CH-NHj

I

СООН

Лигазы (всего насчитывается их около 80), подразделяются на пять подклас-

3. Структурно-функциональная ферментов

Ферментам присущи все особенности структурной организации белков. Они имеют четыре уровня организации: первичный, вторичный, третичный и чет­вертичный. Ферменты с четвертичной структурой, а их большинство, состоят из протомеров (субъеднниц). Как и другие функциональные белки, они де­лятся на простые (ферменты-протеины) и сложные (ферменты-протеиды). Сложные ферменты состоят из белковой части — апофермента, и небелко­вой — кофактора. Кофакторы ферментов — ионы металлов и коферменты Последние являются небольшими органическими молекулами, строение кото­рых рассмотрено ниже. Алофермент и кофакторы порознь мало активны или вообще неактивны как катализаторы; объединение их вместе дает активную молекулу фермента, которая называется полным ферментом или холофер- ментом.

Функциональная организация фермента. В трехмерной структуре просто­го и сложного фермента различают ряд участков, несущих определенную функцию (рис. 20). В молекуле фермента различают активный центр А, т. е. место в пространственной структуре фермента, с которым связывается суб­страт S (вещество, которое превращается под действием фермента). На ри­сунке активный центр изображен в виде впадины.,

В состав активного центра сложного фермента входят кофакторы. Число активных центров в олигомериых ферментах (имеющих четвертичную струк­туру) может быть равно числу субъединиц — по одному центру на субъеди- ннцу. Иногда две субъединнцы фермента участвуют в образования функцио­нально-способного активного центра.

Кроме активного центра у ферментов имеется регуляторный, или аллосте- ринеский, центр (рис. 20, в), который в молекуле фермента пространственно разделен с активным центром. Аллостерическнм (от греч. alios — иной, чу­жой) он называется потому, что молекулы, связывающиеся с этим центром,

Рис 20 Схема функциональной организации молекулы фермента:

(4- auTusuvit н*итг> s _ субстрат R — оегулятооиый. или аллостерическнй. центр), / — каталитический участок 2 — контактные участки, 3 — кофактор)

по строению (стеричесхи) не похожи на субстрат, но оказывают влияние на связывание н превращение субстрата в активном центре, изменяя его конфи­гурацию. Молекула фермента может иметь несколько аллостерических цент­ров. Вещества, связывающиеся с аллостерическим центром, называют алло- стврическими эффекторами. Они влияют через аллостерическнй центр на функ­цию активного центра: или облегчают ее, или затрудняют. Соответственно аллостерические эффекторы называются положительными (активаторы) или отрицательными (ингибиторы).

Структура активного центра. В активном центре различают контактный, или якорный, участок, связывающий субстрат, и каталитический участок, где происходит превращение субстрата после его связывания. Однако это деление весьма условно, поскольку связывание субстрата в контактном участ­ке влияет на специфичность и скорость превращения его в каталитическом участке.

Обычно активный центр фермента образуют 12—16 аминокислотных остатков полипептидной цепи. Иногда их число больше. Аминокислоты, фор­мирующие активный центр, находятся в разных местах полипептидной цепи, нередко на противоположных концах. При пространственной укладке они сближаются и образуют активный центр. Остальные аминокислотные остатки полипептидной цепи фермента обеспечивают правильную пространственную конфигурацию активного центра и влияют на реакционную способность его групп.

Аминокислотные остатки, находящиеся рядом с активным центром и влияющие на реакционную способность его групп, принято называть вспомо­гательными группами. Более отдаленные аминокислотные остатки, влияющие на конформацию всей молекулы фермента, называются способствующими группами. Примерно '/2—²/з аминокислот ферментного белка участвуют пря­мо или косвенно в работе активного центра.

Функциональные группы активного центра ферментов. У простых ферментов роль функциональных групп контактного и каталитического участков активного центра выполняют только боковые радикалы аминокислот. У сложных ферментов главную роль в этих процессах выполняют кофакторы.

В катализе принимают участие следующие функциональные группы ферментов:

1) СООН-группы дикарбоноеыл аминокислот и концевые СООН-грмпч, полипеитидной цепи;

2) МН₂-группы лизина и концевые 1м'Н₂-группы полипеитидной цени

3) гуанидиновые группы аргинина;

4) индольные триптофана;

5) имидазольные гистидина;

6) ОН-группы серина н треонина;

7) SH-группы цястеина и дисульфидные цистина,

8) тиоэфирные группы метионина,

9) фенольные группы тирозина;

10. гидрофобные цепи алифатических аминокислот и зроматичеоксг кило- iio \рен(\лал аппнл.

Физико-химические свойства перечисленных аминокислотных остатков пол и пептидной цепи фермента определяют контакт с соответствующим субст­ратом и его превращение. Гидрофобные радикалы аминокислот имеют сродст­во к неполярным участкам субстрата. Полярные группы обладают либо кислотными, либо основными, либо сопряженными кислотно-основными (на­пример, гистидин) свойствами. Сдвиг рН среды вызывает изменение их кис- лотно-основных свойств и способствует контакту с различными группами субстрата. Вещества, вызывающие блокаду этих функциональных групп, мешают катализу.

Боковые радикалы аминокислот активного центра сложного фермента создают условия для правильной конформации активного центра и помогают кофакторам в связывании, ориентации, а следовательно, и в превращении субстратов.

Кофакторы и их значение для функции ферментов. Кофакторы могут быть или прочно связаны с активным центром фермента, или легко отделяться от него при диализе. Для прочно связанных кофакторов применяют термин простетическая группа, подобно тому, как это принято для обозначения не­белковой части неферментных белков. Такое деление не имеет достаточных оснований, ибо один и тот же кофактор (обычно кофермент) в активном центре одного фермента бывает прочно связан, а в активном центре друго­го — нет. Более того, иногда трудно разделить кофермент и субстрат, поскольку связанный с коферментом субстрат служит объектом атаки со стороны фермента. Например, фермент Е, имея свой кофермент К. ата­кует субстрат S, связанный с другим коферментом В;

В • S + E•К— Е•К•S + в В этих случаях, когда кофермент является полноправным партнером субстра­та, его можно рассматривать как косубстрат.