Глава 7. Ферменты: общие свойства

Виктор Родуэлл

ВВЕДЕНИЕ

Катализаторы — это вещества, ускоряющие химические реакции; в ходе реакции они претерпевают физические изменения, но по ее завершении возвращаются в исходное состояние. Ферменты являются белковыми катализаторами биохимических реакций, большая часть которых в отсутствие ферментов протекала бы крайне медленно. В отличие от небелковых катализаторов ионы металлов) каждый фермент способен катализировать лишь очень небольшое число реакций, часто только одну. Таким образом, ферменты представляют собой реакционноспецифические катализаторы. Практически все биохимические реакции катализируются ферментами.

БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Ферменты совершенно необходимы для существования жизни на Земле. Поэтому неудивительно, что мы встречаемся с ними во многих областях биомедицинских наук. Многие болезни (врожденные нарушения метаболизма) определяются генетически обусловленными нарушениями в синтезе ферментов. При повреждении клеток (вызванном, например, недостатком кровоснабжения или воспалением) некоторые ферменты попадают в плазму крови. Измерение активности таких ферментов обычно используется для диагностики многих распространенных заболеваний (например, инфаркта миокарда). Диагностическая энзимология является областью медицины, использующей ферменты для диагностики и контроля за результатами лечения. Ферменты применяются и в терапии.

КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ И НОМЕНКЛАТУРА

Первоначально ферментам давали названия, образуемые путем добавления окончания к названию субстрата, на который данный фермент действует. Так, ферменты, гидролизующие крахмал (амилон), были названы амилазами; ферменты, гидролизующие жиры (-липазами; ферменты, гидролизующие белки (протеины), — протеиназами. Позднее ферментам, катализирующим сходные по типу реакции, стали давать название, указывающее тип соответствующей реакции — дегидрогеназы, оксидазы. декарбоксилазы, ацилазы и т.д. Многие из этих названий используются и теперь.

Номенклатура, введенная Международным биохимическим союзом (IUB), на первый взгляд кажется сложной и громоздкой, но зато она является однозначной. Главный ее принцип состоит в том, что ферменты называют и классифицируют в соответствии с типом катализируемой химической реакции и ее механизмом; это существенно облегчает систематизацию данных, относящихся к различным аспектам метаболизма. Основные черты системы, введенной IUB, состоят в следующем.

1. Реакции и ферменты, которые их катализируют, подразделяются на шесть классов, в каждом из которых имеется несколько подклассов (от четырех до 13).

2. Название фермента состоит из двух частей: первая часть — название субстрата (или субстратов); вторая указывает тип катализируемой реакции и оканчивается на - аза.

3. Дополнительная информация, если она необходима для уточнения, заключается в скобки. Например, фермент, катализирующий реакцию имеет номер 1.1.1.37 и называется L-малат: NADf оксидоредуктаза (декарбоксилирующая).

4. Каждый фермент имеет кодовый номер по классификации ферментов (КФ): первая цифра характеризует класс реакции, вторая — подкласс и третья — подподкласс. Четвертая цифра указывает порядковый номер фермента в его подподклассе. Таким образом, КФ 2.7.1.1 означает, что фермент относится к классу 2 (трансфераза), подклассу 7 (перенос фосфата) и подподклассу 1 (акцептором фосфата является спирт). Последняя цифра обозначает фермент гексокиназу, или АТР: -гексозо-б-фосфотрансферазу, т. е. фермент, катализирующий

перенос фосфата с АТР на гидроксильную группу атома углерода в шестом положении глюкозы.

Ниже представлены все шесть классов ферментов и некоторые конкретные примеры. В скобках указано рекомендуемое название.

1. Оксидоредуктазы.Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции с участием двух субстратов, S и S:

Катализируют реакции, в которых участвуют такие группы, как Некоторые подклассы:

1.1. Ферменты, действующие на группу СН— ОН (донор электронов). Например:

1.4. Ферменты, действующие на группу Н-NH, (донор электронов). Например:

1.4.1.3. L-Глутамат: NAD(P)+ оксидоредуктаза (дезаминирующая) [глутаматдегидрогеназа из печени животных]. Запись означает, что акцептором электронов может служить либо либо лутамат

2. Трансферазы. Ферменты, катализирующие перенос группы G (отличной от атома водорода) с субстрата S на субстрат

Катализируют перенос одноуглеродных групп, альдегидных или кетонных остатков, а также ацильных, алкильных, гликозильных групп и групп, содержащих фосфор и серу. Некоторые подклассы:

2.3. Ацилтрансферазы. Например:

2.3.1.6. Ацетил-СоА:холин О-ацетилтрансфераза [холин-ацетилтрансфераза]

2.7. Ферменты, катализирующие перенос группы, содержащей фосфор. Например:

2.7.1.1. АТР: -гексоза -фосфотрансфераза [гек-сокиназа]

3. Гидролазы. Ферменты, катализирующие гидролиз эфирных, сложноэфирных, пептидных и гликозильных связей, кислотных ангидридов, связей С— С, С-галоида и Например:

3.1. Ферменты, действующие на сложноэфирные связи. Например:

3.1.1.8. Ацилхолин—ацилгидролаза [псевдохо-линэстераза]

3.2. Ферменты, действующие на гликозильные соединения. Например:

3.4. Ферменты, действующие на пептидные связи.

Классификация (с подразделением на 11 подклассов) учитывает различия между пептидазами и протеазами, выделяет ферменты, гидролизующие дипептиды или более крупные пептиды, отщепляющие одну или большее число аминокислот, атакующие связь на С-или -конце. Протеиназы в соответствии с механизмом катализа подразделяются на сериновые, тиоловые и металлозависимые. Например:

3.4.2.1. Сериновые протеиназы. Например: химотрипсин, трипсин, плазмин, факторы свертывания крови

Карбоксильные (кислые) протеиназы. Например: пепсины А, В и С.

4. Лиазы. Ферменты, отщепляющие группы от субстратов по негидролитическому механизму, с образованием двойных связей.

Ферменты, действующие на связи и С—галоид. Некоторые подгруппы:

4.1.2. Альдегид-лиазы. Например:

4.1.2.7. Кетозо-1-фосфат-альдолаза [альдолаза]

4.2. Углерод—кислород лиазы. Например:

5. Изомеразы. В этот класс включены все ферменты, катализирующие взаимопревращения оптических, геометрических и позиционных изомеров. Некоторые подклассы:

5.2. Цис-гпранс-изотлерязы. Например:

5.2.1.3. все-трянс-Ретиналь 11 -цис-транс-изоме-раза [ретинальизомераза]

5.3. Ферменты, катализирующие взаимопревращение альдоз и кетоз. Например:

5.3.1.1. лицеральдегид-3-фосфаткетол-изо-мераза [триозофосфатизомераза]

6. Лигазы. (от лат. лигаре — связывать). Ферменты, катализирующие соединение двух молекул, сопряженное с разрывом пирофосфатной связи АТР или подобного соединения. В этот класс включены ферменты, катализирующие реакции, в ходе которых образуются связи . Некоторые подклассы:

6.3. Ферменты, катализирующие образование связей Например:

6.3.1.2. L-Глутамат:аммиак лигаза (ADP) [глу-таминсинтетаза]

6.4. Ферменты, катализирующие образование связей Например:

6.4.1.2. Ацетил-СоА: лигаза (ADP) [ацетил-Со А—карбоксилаза]