Классификация и номенклатура ферментов

Катализируемая химическая реакция является тем признаком, по которому можно отличить один фермент от другого. Естественно, что Международная комиссия по ферментам в 1961 г. этот принцип положила в основу классификации ферментов, которая с незначительными изменениями и дополнениями используется до настоящего времени. Согласно рекомендациям комиссии ферменты делят на классы, подклассы и подподклассы, характеризующие реакции, осуществляемые данными катализаторами. Все известные ферменты подразделяют на шесть классов, охватывающих изученные в настоящее время ферментативные реакции (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Реакции, катализируемые различными классами ферментов

Класс ферментов	Тип реакции
Оксидоредуктазы Трансферазы Гидролазы Лиазы Изомеразы Лигазы	Окислительно-восстановительные реакции всех типов Перенос отдельных атомов или групп атомов от донора к акцептору Гидролитическое расщепление химических связей Негидролитическое расщепление двойных связей или образование этих связей Взаимопревращения различных изомеров Образование связей при взаимодействии двух или более соединений (с помощью энергии АТФ)

Был разработан также принцип нумерации ферментов, вошедший в систему классификации. Шифр каждого фермента содержит четыре числа и составляется следующим образом:

• первое число указывает, к какому из шести классов принадлежит тот или иной фермент;

• второе число обозначает подкласс. У оксидоредуктаз, например, оно указывает природу группы, которая подвергается окислению, у трансфераз – природу транспортируемой группы и т- Д.;

• третье число обозначает подподкласс. У гидролаз, например, оно указывает на тип гидролизуемой связи, у трансфераз – тип транспортируемой группы;

• четвертое число обозначает порядковый номер фермента в данном классе. Оксидоредуктазы. Они представляют самый большой класс ферментов.

Названия их составляют по форме: «донор: акцептор – оксидоредуктаза». Они играют основополагающую роль в процессах биологического окисления. Ко-ферменты НАД или НАДФ являются акцепторами водорода, ферменты, катализирующие перенос водорода, называются дегидрогеназами, переносящие кислород к субстрату – оксигеназамй. Пероксидазами называют ферменты, использующие в качестве акцептора водорода Н₂О₂. Оксидоредуктазы подразделяют на подклассы по критерию окисления тех или иных группировок, в частности от природы доноров водорода. Рассмотрим некоторые подклассы этих ферментов.

Подкласс 1.1. В него входят ферменты, действующие на СН–ОН-группу доноров (малатдегидрогеназа, алкогольдегидрогеназа и др.).

Подкласс 1.2. В него входят ферменты, окисляющие альдегидные или кетонные группировки.

Подкласс 1.6. Ферменты этого подкласса отличаются тем, что донором водорода для них являются восстановленные НАД или НАДФ.

Всего класс оксидоредуктаз содержит 17 подклассов.

Трансферазы. Ферменты этого класса осуществляют перенос групп атомов. Их названия включают в себя такие понятия, как: «донор: акцептор – транспортируемая группа – трансфераза». Эти ферменты разделены на подклассы, катализирующие перенос углеродных остатков. Рассмотрим несколько примеров.

Подкласс 2.1. Ферменты этого подкласса переносят одноуглеродные метильные, формильные, карбоксильные и другие остатки (метилтрансфераза, формилтрансфераза).

Подкласс 2.2. Ферменты этого подкласса осуществляют перенос альдегидных и кетонных двух или трех углеродных остатков (транскетолаза, трансальдолаза). Трансферазы играют существенную роль в процессах взаимопревращения многих веществ, а также в реакциях дезинтоксикации.

Класс трансфераз имеет всего 8 подклассов.

Гидролазы. Эти ферменты катализируют расщепление внутримолекулярных связей при помощи молекул воды. Их названия состоят из двух частей: субстрат–гидролаза.

Подкласс 3.1. В него включены ферменты, обладающие широкой специфичностью. Они катализируют гидролиз эфирных связей большого количества эфиров. В частности, тиолэстераза катализирует гидролиз тиоэфирных связей, играющих большую роль в обмене ацильных групп.

Подкласс 3.2. В него входят ферменты, гидролизующие как истинные гликозиды, так и N- или S-гликозидные соединения.

Всего класс гидролаз подразделяют на 11 подклассов, катализирующих различные реакции гидролиза.

Лиазы. К ним относятся ферменты, разрывающие связи С–С, С–N, С–О, С–S с образованием двойных связей. Возможна и обратная реакция, например присоединение молекул воды или аммиака по двойной связи.

Подкласс 4.1. Из ферментов этого подкласса наиболее известны альдолазы, катализирующие реакции альдольной конденсации, в основе которых лежит расщепление или образование связей С–С.

Подкласс 4.2. В него входят такие С–О-лиазы, как фумарат- и аконитатгидратаза, катализирующие обратимое отщепление молекулы воды от субстрата.

Всего в класс лиаз входит 7 подклассов ферментов, участвующих в процессах синтеза и распада промежуточных продуктов обмена веществ.

Изомеразы. К ним относятся ферменты, катализирующие самые различные процессы изомеризации. Систематическое название их учитывает название субстрата, а также тип изомеризации.

Подкласс 5.1. Ферменты этого подкласса – рацемазы – катализируют превращение, например L-аминокислот в D-аминокислоты.

Подкласс 5.2. Представителями являются цис-транс-изомеразы или эпимеразы. Эти ферменты вызывают взаимные переходы сахаров, например галактоза –* глюкоза.

Подкласс 5.3. Ферменты этого подкласса – мутазы – катализируют перенос химических группировок с одной части молекулы на другую.

Всего класс изомераз содержит 6 подклассов.

Лигазы (синтетазы). Они катализируют процессы конденсации двух молекул за счет энергии АТФ. Названия их включают оба соединяющихся вещества и фермент лигазу. Например, аспартат–аммиак–лигаза.

Подкласс 6.1. Ферменты этого подкласса катализируют образование связей С–О. Этот тип связей имеет место, например, при активации аминокислот, предшествующей процессу трансляции.

Подкласс 6.2. Представителями этого подкласса являются, в частности, ферменты, катализирующие образование С–S-связей в процессе присоединения кислотных остатков к КоА.

Всего класс лигаз содержит 5 подклассов, включающих ферменты анаболических стадий обмена веществ.

Строение ферментов

Для ферментов характерны все закономерности строения, присущие белкам. Ферменты всегда являются глобулярными белками, причем высшей может быть как третичная, так и четвертичная структура. Сложные ферменты состоят из белкового и небелкового компонентов. Белковая часть называется апоферментом, небелковая, легко диссоциирующая с белковой частью, – коферментом, прочно связанная с белком, – простетической группой, а молекула в целом – холоферментом. Соединение белковой и небелковой части сложных ферментов происходит при помощи водородных, гидрофобных или ионных связей. Гораздо реже встречается ковалентное связывание белкового компонента с простетической группой фермента. Коферменты или простети-ческие группы принимают непосредственное участие в процессе ферментативного катализа. Эти группировки определяют специфичность того или иного фермента, принимают участие в связывании фермента с субстратом, а также стабилизируют белковую часть фермента.

Классификация коферментов. Она основана на строении и функциональных особенностях коферментов. Большая группа коферментов представляет собой водорастворимые витамины и их химически модифицированные производные. К ним относятся фосфорилированные тиамины, флавин, моно- и дифосфаты, пиридоксалевые, биотиновые, никотинамидные и другие коферменты.

К другим химическим структурам, входящим в состав сложных ферментов, относятся нуклеотидные производные, липоевая кислота, глутатион, металлопорфирины и др.

Наряду с коферментами существенную роль в формировании активных ферментов играют железо, медь, магний, марганец, кальций, цинк и др. Металлы могут выступать в качестве коферментов, а также активаторов ферментативной активности. Уже на организменном уровне можно оценить роль того или иного металла в функционировании фермента. Так, дефицит молибдена в пище животных проявляется в падении активности фермента ксантиноксидазы. Дефицит этого же микроэлемента в питательной среде является причиной резкой инактивации нитратредуктазы у гриба Neurospora crassa. Для однозначного ответа на вопрос, является ли металл активатором или неотъемлемой частью зрелого фермента, необходимо получить последний в высокоочищенном или гомогенном состоянии. Если металл при диализе не отделяется от фермента, а более жесткое его удаление приводит к полному подавлению каталитической активности, значит, это истинный металл офермент. Металл в этом комплексе прочно связан с белком посредством множественных координационных связей.

Прочные комплексы с азотсодержащими группировками белка образуют ионы меди и железа. Ионы кальция и магния преимущественно связываются с карбоксильными группами белка. Фермент алкогольдегидрогеназа содержит в своем составе цинк, прочно связанный с серосодержащими аминокислотными остатками белкового компонента макромолекулы. Ферридоксины переносят электроны при участии атомов железа, прочно связанных с остатками цистеина. В некоторых истинных металлоферментах присутствует более одного атома металла. Примером тому является супероксиддисмутаза – фермент, содержащий в своем составе медь и цинк.

В настоящее время известно более 100 истинных металлоферментов, участвующих в большинстве реакций клеточного метаболизма. Многие из них передают электроны за счет металлов с переменной валентностью. В этом случае можно постулировать, что металл принимает непосредственное участие в осуществлении каталитического акта. Другим вариантом участия металлов в функционировании ферментов является их способность взаимодействовать с отрицательно заряженными группировками субстрата. Реакции гидролиза осуществляют ферменты, в состав которых входят металлы с постоянной валентностью, например а-амилаза (Са²⁺) или АТФ-аза (Mg²⁺).

Активные центры ферментов

У простых ферментов каталитическую функцию осуществляют непосредственно белки. В реакции с субстратом принимает участие не вся полипептидная цепь, а всего лишь несколько аминокислотных остатков, как правило, расположенных на значительном удалении друг от друга в полипептидной цепи. В процессе формирования третичной структуры происходит их сближение и стабилизация при помощи дисульфидных или множественных слабых связей. Денатурация нарушает связи, стабилизирующие третичную структуру, активный центр разрушается, и каталитические свойства фермента полностью или частично подавляются.

(!) Существует мнение, что активный центр ферментов не является постоянным, геометрически ограниченным сайтом белковой макромолекулы, а представляет собой совокупность аминокислот, взаимодействующих с субстратом, причем число химических группировок и их способность взаимодействовать с субстратом может изменяться в зависимости от природы субстрата и степени нативности фермента.

Условность понятия активный центр связана также с тем, что его не удается выделить в чистом виде. Это легко представить a priori, так как вырезание из белковой глобулы какого-то числа аминокислотных остатков однозначно приводит к денатурации и разобщению сближенных и ориентированных друг по отношению к другу химических группировок, составляющих активный центр фермента.

Различают участок, ответственный за присоединение субстрата к ферменту, т. е. центр связывания и каталитический центр, непосредственно воздействующий на субстрат.

На рис. представлен активный центр рибонуклеазы – фермента, гидролизующего РНК, которая состоит из множества мононуклеотидов. В каталитическом центре находятся два остатка гистидина: Гис 12 и Гис 119. Оба эти гистидина участвуют в процессе катализа, причем Гис 12 образует комплекс с гидроксильной группой рибозы, а Гис 119 взаимодействует с соседним фосфатом. Связь между ними при этом разрывается.

В состав активных центров многих ферментов входит ограниченное число аминокислотных остатков. К ним относятся гистидин, тирозин, цистеин, серии, лизин и в меньшей степени некоторые другие аминокислоты.

В состав активных центров сложных ферментов всегда входят простетические группы или коферменты. Иными словами, у сложных ферментов и активный центр сложный, двухкомпонентный, состоящий из аминокислотных остатков, соединенных с небелковой частью молекулы.

Идентификация аминокислотных остатков, входящих в активный центр того или иного фермента, осуществляется различными методами. Так, применение ингибиторного анализа дает возможность выявить функциональные группы, отвечающие за проявление ферментативной активности. Локализация активного центра возможна также при применении протеолитических ферментов, гидролизующих молекулу фермента на отдельные фрагменты.

Внутриклеточное распределение ферментов

Ферменты локализованы во всех компартментах клеток. Ядерные ферменты катализируют синтез информационных макромолекул, а также процессы их созревания, функционирования и распада. В митохондриях действуют ферменты энергетического обмена, в аппарате Гольджи – ферменты, катализирующие созревание белков, в лизосомах – гидролитические ферменты. Значительное число ферментов ассоциировано с внешней и внутренними мембранами. Так, ферменты, защищающие клетку от действия чужеродных химических веществ, локализованы в эндоплазматическом ретикулуме. Распределение ферментов в клетках определяют методом дифференциального центрифугирования гомогената тканей. Локализация некоторых ферментов идентифицирована гистохимическими методами in situ. Для этого при помощи микротома получают срезы ткани и обрабатывают их раствором субстрата. Идентификация продуктов ферментативной реакции облегчена, если последние окрашены.