Enzimologiia

Энзимология

11

1.Ферменты называются добавлением суффикса -аза к названию субстрата, на который данный фермент действует.

Например, уреаза катализирует гидролиз мочевины; ферменты, гидролизующие крахмал (амилон), были названы амилазами; гидролизующие жиры (липос) – липазами; ферменты, гидролизующие белки (протеины) – протеиназами.

2.Используются названия для групп ферментов, катализирующих сходные по механизму реакции. Их название строится по принципу — «субстрат-тип реакции». Например, ферменты, которые переносят остаток фосфорной кислоты от АТФ на другую молекулу, называются киназами (глюкокиназа катализирует перенос фосфорильного остатка от АТФ на глюкозу).

3.Тривиальные названия не показывают механизма действия, но они

широко используютсяПолесГУ. Например, пепсин, трипсин и др.

4. Международный Совет Биохимиков (IUB) предложил систематическое название и классификацию ферментов по типу и механизму катализируемой реакции.

Реакции и ферменты их катализирующие делят на 6 классов, каждый из которых состоит из 4—13 подкла ов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы (синтетазы).

Оксидоредуктазы. К к ассу оксидоредуктаз относятся ферменты, катализирующие окислите ьно-восстановительные реакции с участием двух

субстратов А и В: Авосстан. + В кис .↔Аокислен. + Ввосстан.

Систематические названия их составляют по форме «донор: акцептороксидоредуктаза». Например: ЛДГ – лактат:НАД+-оксидоредуктаза (тривиальное название лактатдегидрогеназы). Различают следующие основные оксиредуктазы: оксидазы (аэробные дегидрогеназы), которые катализируют перенос протонов (электронов) на кислород (на атом кислорода — с образованием Н2О2, на молекулу кислорода — с образованием Н2О2); анаэробные дегидрогеназы, катализирующие перенос протонов (электронов) на промежуточный субстрат, но не на кислород; цитохромы, обеспечивающие перенос только электронов; включение кислорода в другой субстрат (включение атома кислорода — образование ОН-группы, монооксигеназы; включение молекулы кислорода — диоксигеназы); каталаза и пероксидаза, катализирующие реакции с участием перекиси водорода (перенос протонов и электронов на молекулу кислорода).

• Трансферазы. К классу трансфераз относятся ферменты, катализирующие реакции межмолекулярного переноса групп X (отличной от атома водорода) с субстрата А на субстрат В: А-Х + В↔А + В-Х.

Катализируют перенос одноуглеродных остатков, ацильных, гликозильных, альдегидных или кетонных, нуклеотидных остатков,

Энзимология

12

азотистых групп, остатков фосфорной и серной кислот и др.

Наименование этих ферментов составляется по форме: «донор: транспортируемая группа – трансфераза».

Например, Ацетил-КоА + Холин ↔ КоА + Ацетилхолин. Эту реакцию катализирует фермент ацетил-КоА: холин-О-ацетилтрансфераза (короче – холин-ацетилтрансфераза). Используется ряд специальных терминов для названия ферментов этого класса: киназы – перенос фосфатного (фосфорильного) остатка от нуклеозидтрифосфата (например, АТФ) на другую молекулу или наоборот с образованием нуклеозидтрифосфата; фосфомутазы – внутримолекулярный перенос фосфатного остатка.

• Гидролазы катализируют гидролиз эфирных, сложноэфирных, пептидных и гликозидных связей, кислородных ангидридов, связей С-С, С- галоген и P-N , т. е. расщепление внутримолекулярных связей с участием

называется ацетилхолин-ацил- гидролаза. К этому классу относят эстеразы (гидролиз и синтез сложных эфиров); гликозидазы (разрыв гликозидных связей); фосфатазы и пептидгидролазы (разрыв фосфоангидридных и пептидных связей ), пептидазы (гидролиз пептидных связей) и др.

• Лиазы (синтазы) – это ф рм нты, отщепляющие группы от субстратов по негидролитическому (без участия воды) механизму, с образованием двойных связей. Ферменты действуют на связи С-С, С-О, С-N, С-S и С- галоген. Название фермент в: «субстрат-лиаза». Например, L- малат ↔ фумарат + Н2О. Этот фермент называется L- малат-гидролиаза (тривиальное название — фумараза). К этому классу относят декарбоксилазы (карбоксилиазы, амилазы-лиазы и др.). В рекомендуемых названиях используются термины «альдолаза», «декарбоксилаза».

воды. НаименованиеПолесГУих составляется по форме: «субстрат – гидролаза». Например, Ацетилхолин + Н2О ↔ Холин + ксусная кислота. Фермент

•Изомеразы катализируют различные типы оптических, геометричеких и позиционных изомеров. Название этих ферментов составляется с учетом типа реакции: «Субстрат-цис-трансизомераза (например транс-ретиналь – ΙΙ цис-транс изомераза катализирует превращения транс-ретиналя в ΙΙ-цис- ретиналь при восприятии света); «альдегид-кегон-изомераза» (D- глицеральдегид-3 - фосфаткетон -изомераза катализирует превращение D- глицеральдегид-3-фосфата в дигидроксиацетонфосфат); если изомеризация включает внутримолекулярный перенос группы, то фермент получает название мутазы. К классу изомераз относят так же рацемазы и эпимеразы.

• Лигазы (синтетазы) катализируют синтез двух молекул, сопряженный с разрывом пирофосфатной связи АТФ или другого макроэргического соединения. Систематическое название этих ферментов составляют по форме «А: В лигазы», где через А и В обозначают исходные вещества. В этот класс включены ферменты, катализирующие реакции образования связей С-О, С-S,

Энзимология

13

С-N, С-С. Например, образование С-N связи при синтезе глутамина катализирует фермент L-глутамат: аммиак лигаза, тривиальное название глутаминсинтетаза: АТФ + L-глутамат + NН4+ ↔АДФ + ортофосфат + L- глутамин.

Транслоказы отдельный класс ферментов, катализирующих перенос ионов или молекул через мембраны или их разделение в мембранах. Этот класс ферментов сформировался из ранее принадлежащих другим классам ферментов.

Классификация

EC 7.1 — ферменты, катализирующие транслокации (переносы) протонов (ионов водорода)

EC 7.2 — ферменты, катализирующие транслокации неорганических катионов и их хелатов

анионов

EC 7.4 — ферменты, катализирующие транслокации аминокислот и пептидов

EC 7.5 — ферменты, катализирующие транслокации углеводов и их производных

EC 7.6 — ферменты, катализирующие транслокации других соединений.

Подподклассы разде ены по реакциям, обеспечивающим движущую силу для транслокации:

• EC 7.X.1 — транслокации, связанные с окислительновосстановительными реакциями

EC 7.X.2 — транслокации, связанные с гидролизом нуклеозидтрифосфатов

EC 7.3 — ферментыПолесГУ, катализирующие транслокации неорганических

EC 7.X.3 — транслокации, связанные с гидролизом дифосфатов

EC 7.X.4 — транслокации, связанные с декарбоксилазными реакциями. 5. Каждый фермент имеет специальный шифр, состоящий из 4-х кодовых чисел, разделенных точками; первая цифра характеризует класс реакции, вторая – подкласс, третья – подподкласс, четвертая указывает порядковый номер фермента в его подподклассе. Например, лактатдегидрогеназа имеет шифр 1.1.1.27, т. е. фермент относится к 1-му классу (оксидоредуктазы), к 1-му подклассу (оксидоредуктазы, действующие на СНОН- группировки в качестве доноров атомов водорода), к 1-му подподклассу (акцептором атомов водорода служит никотинамидадениндинуклеотид) и занимает 27-ю позицию в перечне ферментов упомянутого подкласса

(таблица 2.1).

Название класса указывает на тип химической реакции, катализируемой ферментами. Классы делятся на подклассы, а те, в свою

Энзимология

14

очередь, на подподклассы. Подкласс уточняет действие фермента, т. к. указывает на природу химической группы субстрата, атакуемой ферментом. Подподкласс уточняет природу атакуемой связи субстрата или природу акцептора, который участвует в реакции. Дополнительная информация, если она необходима для уточнения, заключается в скобки.

Таблица 2.1. — Классификатор ферментов

Энзимология

15

ТЕМА № 3: СТРУКТУРА ФЕРМЕНТОВ, АКТИВНЫЙ ЦЕНТР ФЕРМЕНТА

Вопросы к экзамену

Простые белки-ферменты состоят из аминокислот. Сложные белки-ферменты состоят из

1.белковой части – апофермента и

2.небелковой части – кофактора.

Энзимология

16

Кофактор, прочно связанный с апоферментом, называется простетической группой. Комплекс апофермента и прочно связанного кофактора называется холоферментом.

Кофактор, который связан с апоферментом нековалентными связями и легко отделяется при диализе, называется коферментом. Кофермент присоединяется во время реакции к молекуле фермента подобно субстрату, химически изменяетсяПолесГУи затем снова освобождается.

Роль коферментов выполняют 2 группы веществ: витамины и их производные и вещества невитаминной природы.

Ко второй группе веществ относятся нуклеотиды (УДФ-глюкоза), фосфаты моносахаридов (2,3-би фо фоглицерат), металлопорфирины (гем, хлорофилл) и пептиды (глутатион). Кофактором могут быть неорганические ионы, например, Мg2+.

Энзимология

17

Коферменты – растворимые кофакторы, связаны с апоферментом нековалентными взаимодействиям; имеют высокую константу диссоциации с полипептидом.

Простетические группы – нерастворимые кофакторы, связаны с апоферментом ковалентными связями; имеют низкую константу диссоциации с апобелком.

Функции кофакторов: Кофакторы – промежуточные переносчики атомов или функциональных групп.

Кофакторы принимают участие в формировании активных центров сложных ферментов.

Кофакторы каталитически неактивны (без апофермента).

Кофакторы не проявляют специфичность (ни в отношении

1)обеспечиваютПолесГУобразование фермент-субстратного комплекса;

2)Ионы металлов могут принимать непосредственное участие в акте катализа:

а) участие в электрофильном катализе; б) участие в окислительно восстановительных реакциях;

3)Ионы металла выполняют функцию стабилизаторов молекулы субстрата, активного центра фермента и конформации белковой молекулы фермента, а именно третичной и четвертичной структур:

а) ионы металлов – стабилизаторы молекулы субстрата; б) ионы металлов – стабилизаторы активного центра фермента;

в) роль металлов в стабилизации третичной и четвертичной структуры фермента;

4)облегчают образование связи между апоферментом и коферментом. Кофакторы ферментов должны поступать с пищей, а апофермент

синтезируется в организме.

Энзимология

18

Активный центр фермента образован:

у простых ферментов функциональными группами боковых радикалов аминокислот, сближенных в пространстве. У сложных ферментов: кофактор.

Примеры функциональных групп активного центра:

Свойства активных центров

1. Это трехмерное образование, в формировании активного центра участвуют функциональные группы аминокислот, линейно далекие друг от друга.

2. На активный центр приходится относительно малая часть общего объема фермента.

3. АктивныйПолесГУцентр имеет форму узкого углубления или щели, что создает микроокружение, благоприятное для катализа.

4. Субстраты относительно слабо связываются с активным центром.

5. Специфичность связывания субстрата зависит от строго определенного расположения атомов в активном центре.

6. У сложных ферментов в со тав активного центра входят кофакторы. В активном центре выд ляют контактный (якорный) участок,

связывающий субстрат и каталитический участок, где происходит превращение субстрата.

В составе как пр ст го, так и сложного фермента, выделяют следующие центры:

– каталитический,

– субстратный,

– аллостерический.

Каталитический центр – это участок молекулы фермента, который отвечает за его каталитическую функцию.

Вдвухкомпонентных (сложных) ферментах в качестве каталитического центра выступает простетическая группа или кофермент.

Воднокомпонентных (простых) ферментах, которые состоят только из белковой части, роль каталитического центра выполняют радикалы аминокислотных остатков, расположенных в различных участках полипептидной цепи (рисунок 3.1).

Образование каталитического центра происходит одновременно с формированием третичной структуры белковой молекулы ферментов. Чаще всего в состав каталитического центра простого фермента входят остатки

аминокислот: серина, цистеина, тирозина, гистидина, аргинина,

Энзимология

19

аспарагиновой и глутаминовой кислот. Изменение третичной структуры фермента под влиянием тех или иных факторов может привести к деформации каталитического центра и изменению ферментативной активности.

А - присоединение субстрата к ферменту в активном центре; Б - положение аминокисл тных остатков, формирующих активный центр фермента, в первичной структуре белка; В - активный центр фермента условно разделяется на участок связывания и каталитический участок.

РисунокПолесГУ3.1. — Стр ние активного центра фермента

Субстратный центр – это участок молекулы фермента, который связывает субстрат, подлежащий ферментативному превращению (субстрат – это вещество, на которое действует фермент).

Субстратный центр называют «якорной площадкой» фермента, где, как судно на якорь, становится субстрат. Субстрат с ферментом связывается посредством ионных взаимодействий, водородных связей; иногда субстрат и фермент связываются ковалентно. Гидрофобные взаимодействия также играют определенную роль при связывании субстрата с ферментом.

Совместно каталитический и субстратный центры образуют активный центр фермента. Активный центр большинства ферментов имеют форму щели или впадины, в которую входит субстрат и прикрепляются к ферменту.

Аллостерический центр – это участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому определенного низкомолекулярного (а иногда и высокомолекулярного) вещества изменяется третичная структура

Энзимология

20

белковой молекулы фермента (рисунок 3.2). Как следствие этого изменяется конфигурация активного центра фермента, сопровождающаяся либо увеличением, либо снижением каталитической активности фермента. Это явление лежит в основе так называемой аллостерической регуляции каталитической активности ферментов (рисунок 3.3).

(А- активация активного центра, Б – ингибирование активного центра)

Рисунок 3.3. — Структура аллостерического фермента

Роль активного центра в ферментативном катализе

Молекула фермента, как правило, во много раз больше молекулы субстрата, подвергающегося химическому превращению этим ферментом. В контакт с субстратом вступает лишь небольшая часть молекулы фермента, обычно от 5 до 10 аминокислотных остатков, формирующих активный центр