Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ферменты в технологиях кожи и меха. Учебное пособие
.pdf
белковой части фермента. Более того, в апоферменте есть участок, характеризующийся специфической структурой, избирательно связывающий кофермент. Это так называемый коферментсвязывающий домен.
Его структура у различных апоферментов, соединяющихся с одним и тем
же коферментом, очень сходна. Таковы, например, пространственные
структуры нуклеотидсвязывающих доменов ряда дегидрогеназ.
Иначе обстоит дело у однокомпонентных ферментов, не имеющих добавочной группы, которая могла бы входить в непосредственный контакт с преобразуемым соединением. Предполагают, что каталитический центр однокомпонентного фермента представляет собой
уникальное сочетание нескольких аминокислотных остатков, располагающихся в определенной части белковой молекулы.
Чаще всего в каталитических центрах однокомпонентных ферментов встречаются остатки серина, гистидина, триптофана, аргинина,
цистеина, тирозина, аспаргиновой и глутаминовой кислот. Радикалы
перечисленных аминокислот (R-группы) выполняют здесь ту же функцию, что и кофермент в составе двухкомпонентного фермента. Большинство этих R-групп занимают удаленное положение в составе полипептидной цепи и пространственно сближены только благодаря многочисленным изгибам, поворотам и скручиванию цепи. Поэтому каталитический центр возникает в тот момент, когда белковая молекула приобретает присущую ей третичную структуру. Он представляет собой
своего рода карман, попадая в который молекула субстрата атакуется
функциональными группами с исключительной точностью. Следовательно, изменение третичной структуры фермента под влиянием тех
или иных факторов может привести к деформации каталитического
центра и изменению ферментативной активности.
Кроме каталитического центра, образованного сочетанием аминокислотных радикалов или присоединением кофермента, у ферментов
различают еще два центра – субстратный и аллостерический.
Под субстратным центром понимают участок молекулы
фермента, ответственный за присоединение вещества (субстрата),
подвергающегося ферментативному превращению. Часто этот участок
называют «якорной площадкой» фермента, где, как судно на якорь,
становится субстрат. Во многих случаях прикрепление субстрата
к ферменту идет за счет взаимодействия с γ-аминогруппой радикала
лизина, расположенного в субстратном центре. Эту же роль могут
выполнять СООН-группа глутаминовой кислоты, а также НS-группа
цистеина. Однако работы последних лет показали, что гораздо большее
11
значение здесь имеют силы гидрофобных взаимодействий
и водородные связи, возникающие между радикалами аминокислотных
остатков субстратного центра фермента и соответствующими
группировками в молекуле субстрата.
Понятие о каталитическом и субстратном центре не следует абсолютизировать. В реальных ферментах субстратный центр может совпадать (или перекрываться) с каталитическим центром. Более того, каталитический центр может окончательно формироваться в момент присоединения субстрата. Поэтому часто говорят об активном центре фер-
мента, представляющем сочетание первого и второго. Т. е. понятие «активный центр» более широкое, чем понятие «каталитический центр»,
поскольку в формировании каталитического центра и регуляции активности фермента в целом принимают участки молекулы, не принимающие непосредственного участия в химических реакциях.
Помимо активного центра, ряд ферментов снабжены регуля-
торным или аллостерическим центром. С этой зоной фермента взаимодействуют вещества, влияющие на его каталитическую активность.
Подавляющее число ферментов по форме макромолекул являются глобулярными белками.
В живых организмах многие белки синтезируются в форме неактивных белков-предшественников, которые называют пробелками.
В тех случаях, когда белки являются ферментами, пробелки называют
проферментами или зимогенами. На этой стадии они не обладают каталитическими свойствами. Соответственно образуется и название такого профермента. Например, пепсин – пепсиноген. Существование
зимогенов определяется тем, что ферментативные процессы в организмах протекают, как правило, периодически. В частности, синтез протеаз в виде каталитически неактивных проферментов защищает ткани,
в которых они образуются (например, ткань поджелудочной железы
или стенок желудка) от самопереваривания.
Вещества специфической природы, катализирующие естественную неактивность фермента, называются киназами. Они, как правило,
присутствуют в тканях совместно с зимогеном и, при необходимости,
в соответствующих условиях способствуют переходу зимогена в активную форму. Процесс активирования пептидгидролаз может состоять
в разрыве некоторых пептидных связей (избирательного протеолиза)
с отщеплением или без отщепления свободных пептидов. Возможно
также отщепление присутствующего в проферменте ингибитора. Главным следствием избирательного протеолиза является изменение
12
конформации молекул, которое приводит к формированию активного
центра фермента.
Многие ферменты функционируют в клетке в составе мультиферментных систем (мультиэнзимных комплексов), состоящих из нескольких ферментов, катализирующих определенные последовательные реакции. В таких системах ферменты могут функционировать или
независимо друг от друга, или совместно в виде ферментных комплексов. Это свойство часто используют при составлении ферментных препаратов, обладающих комплексом различных активностей, проявление
которых регулируется различными параметрами.
Сравнительно недавно выявлена еще одна своеобразная черта
в строении ферментов: некоторые из них являются полифункциональными, т. е. обладают несколькими энзиматическими активностями, но
всего лишь с одной полипептидной цепью (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Схематическое изображение полифункционального
фермента
Дело в том, что эта единая цепь при формировании третичной
структуры образует несколько функционально и стерически обособленных глобулярных участков – доменов (рис. 1.3), каждый из которых
характеризуется своей каталитической активностью.
При изучении мультиэнзимных комплексов и полифункциональных ферментов удалось понять наиболее важную особенность ферментативного катализа, а именно, эстафетную передачу промежуточных
13
продуктов реакции от одного компонента каталитической системы к другому без их высвобождения.
Вопросы и задания
1. Какие основные качества отличают ферменты от обычных
катализаторов?
2. Перечислите уровни организационной структуры ферментов.
3. Как подразделяют ферменты в соответствии с их химиче-
ским строением?
4. Что такое кофактор? Перечислите функции кофактора.
5. Что такое простетическая группа?
6. Что из себя представляют коферменты?
7. Что такое холофермент?
8. Какую область фермента называют каталитическим центром?
9. В чем отличие каталитических центров однокомпонентных
ферментов от каталитических центров сложных?
10. Как вы понимаете термин «субстратный центр»?
11. Понятие «активный центр» ферментов.
12. Что такое аллостерический центр?
13. В чем отличие ферментов от проферментов или зимогенов?
14. Какие вещества называют киназами?
15. В чем особенность мультиэнзимных комплексов и поли-
функциональных ферментов?
14
2. К ЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА
ФЕРМЕНТОВ
Термин «фермент» предложен в XVII в. фламандским химиком
и физиологом Ван Гельмонтом при обсуждении механизмов пищеварения. В конце ХVIII – начале XIX вв. уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под
действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен.
В XIX в. известный французский микробиолог и химик Луи Пастер,
изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием
дрожжей, пришел к выводу, что этот процесс (брожение) катализируется некой жизненной силой, находящейся в дрожжевых клетках.
Более ста лет назад термины «фермент» и «энзим» отражали
различные точки зрения в теоретическом споре Пастера с одной стороны, и Марселина Бертло и Юстуса Либиха – с другой, о природе
спиртового брожения. Собственно ферментами называли «организованные ферменты» (т. е. сами живые микроорганизмы), а термин «энзим» предложен в 1876 г. В. Кюне для «неорганизованных ферментов»,
секретируемых клетками, например, в желудок (пепсин) или кишечник
(трипсин, амилаза). Через два года после смерти Л. Пастера в 1897 г.
Э. Бюхнер опубликовал работу «Спиртовое брожение без дрожжевых
клеток», в которой экспериментально показал, что бесклеточный дрожжевой сок осуществляет спиртовое брожение так же, как и неразрушенные дрожжевые клетки. В 1907 г. за эту работу он был удостоен Нобелевской премии.
Впервые высокоочищенный кристаллический фермент (уреаза)
был выделен в 1926 г. Дж. Самнером. В течение последующих 10 лет
было выделено еще несколько ферментов, после чего белковая природа
ферментов была окончательно доказана.
Но энзимология очень долго не располагала строго научной номенклатурой ферментов. Наименования ферментам давали по случайным признакам (тривиальная номенклатура), по названию субстрата
(рациональная), по химическому составу фермента и, наконец, по типу
катализируемой реакции и характеру субстрата.
Примерами тривиальной номенклатуры могут служить названия таких ферментов, как пепсин (от греч. пепсис – пищеварение),
трипсин (от греч. трипсис – разжижаю) и папаин (от названия дынного
дерева Carica papaja, из сока которого он выделен). По действию все
15
эти ферменты являются протеолитическими, т. е. ускоряют гидролиз
протеинов (белков). Характерное название было дано группе окрашенных внутриклеточных ферментов, ускоряющих окислительно-восстановительные реакции в клетке, – цитохромы (от лат. citos – клетка
и chroma – цвет).
Наибольшее распространение получила рациональная номенклатура, согласно которой название фермента составляется из названия субстрата и характерного окончания -аза. Она была предложена в 1883 г.
Э. Дюкло – учеником Л. Пастера. Так, фермент, ускоряющий реакцию
гидролиза крахмала, получил название амилаза (от греч. амилон – крахмал), гидролиза жиров – липаза (от греч. липос – жир), белков (протеинов) – протеаза, мочевины – уреаза (от греч. уреа – мочевина) и т. п.
Позднее ферментам, катализирующим сходные по типу реакции, стали давать название, указывающее тип соответствующей реакции, например гидролазы.
Когда методами аналитической химии были достигнуты известные успехи в расшифровке химической природы простетических
групп, возникла новая номенклатура ферментов. Их стали именовать
по названию простетической группы, например геминфермент (простетическая группа – гем), пиридоксаль-фермент (простетическая группа –
пиридоксаль) и т. п.
Затем в названии фермента стали указывать как на характер
субстрата, так и на тип катализируемой реакции. К примеру, фермент,
отнимающий водород от молекулы янтарной кислоты, называют сукцинатдегидрогеназой, подчеркивая этим одновременно и химическую
природу субстрата, и отнятие атомов водорода в процессе ферментативного действия.
В 1961 г. Международная комиссия по номенклатуре ферментов представила V Международному биологическому конгрессу
(International Union of Biochemistry, IUB) проект номенклатуры, построенный на строго научных принципах. Проект был утвержден конгрессом, после чего новая номенклатура прочно вошла в энзимологию. Согласно этой (Московской) номенклатуре название ферментов составляют из химического названия субстрата и названия той реакции, которая осуществляется ферментом. Если химическая реакция, ускоряемая
ферментом, сопровождается переносом группировки атомов от субстрата к акцептору, название фермента включает также химическое
наименование акцептора.
16
Названия ферментов по научной номенклатуре неизмеримо выигрывают в точности, но становятся в ряде случаев гораздо сложнее
тривиальных. Так, уреаза (тривиальное название), ускоряющая реакцию гидролиза – мочевины на оксид углерода (IV) и аммиак, по научной номенклатуре именуется карбамид-амидогидролазой.
В этом названии дано точное химическое наименование субстрата и указано, что фермент катализирует реакцию гидролиза амидогруппы:
Н2N-СО-NН2+Н2О = 2NН3+СО2.
В связи со значительным усложнением научных названий в номенклатуре допускается сохранение тривиальных, рабочих названий
ферментов наряду с новыми. Международной комиссией был составлен детальный список всех известных в то время ферментов, существенно дополненный в 1972 г. при пересмотре и классификации, и номенклатуры некоторых ферментов. Рядом с новым научным названием
каждого фермента приведено старое, а также указан химизм катализируемой ферментом реакции и в некоторых случаях природа фермента.
Таким образом, исключается возможность путаницы в наименовании
ферментов. В 1964 г. список включал 874 фермента; в последующее
время он был существенно дополнен и возрос до 1770° ферментов в
1972 г. и до 2003 ферментов в 1979 г. В начале третьего тысячелетия
количество известных ферментов приближается к трем тысячам.
По первой в истории изучения ферментов классификации их делили на две группы: гидролазы, ускоряющие гидролитические реакции,
и десмолазы, ускоряющие реакции негидролитического распада. Затем
была сделана попытка разбить ферменты на классы по числу субстратов, участвующих в реакции. В соответствии с этим ферменты классифицировали на три группы.
1. Катализирующие превращения двух субстратов одновре-
менно в обоих направлениях:
А+В↔С+D.
2. Ускоряющие превращения двух субстратов в прямой реакции
и одного в обратной:
А+В↔С.
17
3. Обеспечивающие каталитическое видоизменение одного
А↔В
.
субстрата как в прямой, так и в обратной реакции:
Одновременно развивалось направление, где в основу классификации ферментов был положен тип реакции, подвергающейся каталитическому воздействию. Наряду с ферментами, ускоряющими реакции
гидролиза (гидролазы), были изучены ферменты, участвующие в реакциях переноса атомов и атомных групп (трансферазы), в изомеризации
(изомеразы), расщеплении (лиазы), различных синтезах (синтеазы)
и т. д. Это направление в классификации ферментов оказалось наиболее
плодотворным. Оно объединяло ферменты в группы не по надуманным,
формальным признакам, а по типу важнейших биохимических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности любого организма.
По этому принципу, согласно системе IUB, реакции и ферменты, которые их катализируют, подразделяются на шесть классов
(рис. 2.1), в каждом из которых имеется несколько подклассов (от четырех до тринадцати), иногда называемых в специальной литературе
группами.
Первый класс составляют оксидоредуктазы, катализирующие
окислительно-восстановительные реакции всех типов. Этот класс делится на 17 подклассов. Все ферменты содержат небелковую часть в
виде гема или производных витаминов В2, В5. Субстрат, подвергающийся окислению, выступает как донор водорода.
Ко второму классу относят трансферазы, катализирующие
межмолекулярный перенос различных групп и остатков (кроме атомов
водорода) от донорной молекулы к акцепторной.
Третий класс составляют гидролазы, ответственные за гидролитическое расщепление различных связей (эфирных, пептидных, гликозидных и ряда других). К этому классу относятся однокомпонентные
ферменты, не содержащие небелковой части.
Четвертый класс составляют лиазы – ферменты, отщепляющие
различные группы по негидролитическому механизму с образованием
двойных связей. Они имеют небелковую часть в виде витаминов В1 и В6.
В пятый класс включены изомеразы, катализирующие взаимопревращения оптических, геометрических и позиционных изомеров
(например, цис- и транс-изомеразы);
18
Шестой класс составляют лигазы (от латинского лигаре – связывать), катализирующие соединение двух молекул, поэтому второе
название представителей этого класса – синтеазы.
Рис. 2.1. Классификация ферментов по типу реакции
К числу реакций, требующих присутствия для образования активного центра коферментов, относятся окислительно-восстановительные реакции, реакции переноса групп и изомеризации, а также реакции
конденсации (по системе IUB это классы 1, 2, 5 и 6). Гидролитические
реакции протекают в отсутствие кофермента (по системе IUB это
классы 3 и 4).
Внутри каждого из этих классов существует деление на подклассы
(группы), в которых название фермента состоит из двух частей: первая
часть – название субстрата (или субстратов); вторая указывает на тип катализируемой реакции и оканчивается на -аза. Например, фермент третьего класса, катализирующий разрушение пептидной связи, называется
пептидгидролаза. Если для уточнения необходима дополнительная информация, то она следует за основным названием и заключается в скобки.
Дальнейшее деление подклассов (групп) осуществляется на
подподклассы (подгруппы), несущих более детальную информацию
о ферменте. Например, в четвертой группе третьего класса имеются
подгруппы пептидаз и протеиназ, различие между которыми
19
и учитывается на этой стадии классификации. И, наконец, внутри каждой подгруппы конкретный фермент имеет свой порядковый номер.
Таким образом, в соответствии с принятой систематической
классификацией каждый фермент имеет свой четырехзначных код по
КФ (классификации ферментов). Например, код КФ 3.1.1.3 означает,
что указанный фермент относится к классу гидролаз (3), катализирует
гидролиз сложных эфиров (3.1). Более детальная информация говорит
о том, что фермент гидролизует эфиры глицерина (3.1.1), т. е. жиры и
является липазой с порядковым номером 3 в подгруппе липаз. Шифр
уреазы выражается цифрами 3.5.1.5. Это означает, что уреаза относится
к 3-му классу (первая цифра) ферментов, представители которого катализируют реакции гидролиза. Вторая цифра (5) говорит о том, что уреаза принадлежит к 5-му подклассу этого класса, куда зачислены все
ферменты, ускоряющие гидролиз С–N-связей, не являющихся пептидными. Третья цифра шифра (1) указывает на принадлежность уреазы
к первому подподклассу 5-го подкласса, члены которого ускоряют гидролиз линейных амидов, а последняя цифра (5) – порядковый номер
уреазы в этом подподклассе.
Таким образом, шифр абсолютно точно указывает место фермента в общем списке. В настоящее время принято в научных публикациях при первом упоминании фермента указывать в скобках его шифр.
Часто под одним порядковым номером в подгруппе находится
целый ряд ферментов, получаемых из различных источников, но имеющих сходные свойства. В основном это касается микробных протеиназ, выделенных из различных продуцентов.
В кожевенном и меховом производстве используются в основном ферменты 3 класса – гидролазы (подготовительные операции и выделка). Имеются также сведения о применении в процессах крашения
ферментов первого класса – оксидоредуктаз.
Вопросы и задания
1. Приведите примеры тривиальных названий ферментов.
2. Как обозначаются ферменты согласно рациональной номен-
клатуре?
3. Привидите примеры названий ферментов согласно номенкла-
туре по названию простетических групп.
4. Приведите примеры названий ферментов согласно номенкла-
туре, учитывающей и характер субстрата и тип катализируемой реакции.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]