13 Аллостерические ферменты

Наряду с обычными ферментами существуют ферменты, способные не только выполнять каталитическую функцию, но и способные повышать или понижать свою каталитическую активность в ответ на определённые сигналы. Благодаря действию подобных ферментов, скорость каждой последовательности метаболических реакций изменяется почти мгновенно, приспосабливаясь к изменению потребности клетки либо в энергии, либо в каких-то строительных блоках (молекулах), необходимых для роста и обновления клеток.

По строению такие ферменты отличаются от обычных ферментов. Аллостерические ферменты, как правило, построены из двух или большего числа субъединиц. Наряду с активным и субстратным центрами, они имеют аллостерический центр. Этот центр может обратимо связывать определённые метаболиты, ингибирующие или активирующие фермент. Такие метаболиты называются эффекторами. При присоединении эффектора к аллостерическому центру изменяется конформация белка в целом, а следовательно, и конформация активного центра. В результате активность фермента изменяется.

Эффекторы имеют важное значение, т. к. с их помощью осуществляется один из главных механизмов регуляции каталитической активности. Продукты в живом организме обычно образуются в результате цепочки биохимических превращений. Если этот продукт оказывается в недостатке, необходимо усиление работы системы ферментов, приводящих к его образованию. В случае накопления достаточного количества этого продукта целесообразно выключение всей системы этих реакций. Поэтому в такие цепи включены аллостерические ферменты (это, как правило, фермент, катализирующий первую реакцию цепи), которые ингибируются конечным продуктом. Этот тип ингибирования получил название ингибирования по типу обратной связи – ретроингибирования. Рассмотрим в качестве примера реакцию синтеза уридинтрифосфата (УТФ). Метаболический путь синтеза УТФ включает восемь реакций. Первая реакция катализируется ферментом карбамоилфосфатсинтетазой II. Продукт реакции карбомаилфосфат – образуется из CO2, глутамина и АТФ, служащего источником энергии.

глутамат + 2АДФ + H3PO4

Рисунок 6 – Метаболический путь синтеза УТФ.

Карбамоилфосфатсинтетаза II – это аллостерический фермент; конечный продукт метаболического пути синтеза (УТФ) является его аллостерическим ингибитором. Чем больше концентрация УТФ, тем меньше скорость первой реак-

16

ции, а значит, и всех остальных реакций, поскольку для них образуется мало субстратов. Таким способом скорость синтеза УТФ уравнивается со скоростью его расходования, т.е. с потребностью клетки в этом веществе. Здесь мы имеем дело с регуляцией по механизму отрицательной обратной связи. Эффекторы аллостерических ферментов могут быть как ингибиторами, так и активаторами. Часто оказывается, что сам субстрат оказывает активирующий эффект. У одного и того же фермента может быть несколько аллостерических центров.

14 Изоферменты

Регуляция активности ферментов может осуществляться также путем фосфорилирования – дефосфорилирования аминокислотной цепи. В этом случае фосфатная группа –ОРО32- присоединяется к группе –СН2ОН боковой цепи серина, треонина или тирозина. В зависимости от природы фермента, фосфорилирование может его активировать или, наоборот, инактивировать. Реакция присоединения фосфатной группы и ее отщепление катализируют специальные ферменты протеинфосфатазы.

Существуют и другие механизмы регуляции активности ферментов. Изоферменты – это ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию, но

с различной эффективностью. По ряду свойств изоферменты могут различаться, например, по молекулярной активности, по способам регуляции, по температурному оптимуму, оптимуму pH, электрофоретической подвижности.

Все эти отличия связаны с особенностями их строения. Изоферменты – это олигомерные белки, построенные из неидентичных протомеров в результате их различной компоновки. Например, фермент лактатдегидрогеназа представляет собой тетрамер, в котором могут быть протомеры двух типов – H и Z, различающиеся по аминокислотному составу и прежде всего по содержанию кислых аминокислот и по электрофоретической подвижности. Возможны пять комбинаций этих протомеров в тетрамерной молекуле:

H4, H3Z1, H2Z2, HZ3, Z4 их легко разделить методом электрофореза.

Наличие изоферментов даёт возможность осуществлять обменные процессы в организме при изменении условий среды. Например, если резко изменяются температурные условия, которые становятся неблагоприятными для проявления каталитической активности некоторых изоферментов, то их активность подавляется. Однако данный ферментативный процесс не прекращается полностью, так как начинают проявлять каталитическую активность другие изоферменты, для которых данная температура является благоприятной.

Если в силу каких-либо причин изменяется pH реакционной среды, то также ослабляется активность одних изоферментов, но вместо них начинают проявлять каталитическую активность изоферменты, имеющие иной оптимум pH. Таким образом, наличие изоферментов, наряду с другими механизмами регуляции, способствует согласованности процессов обмена веществ в клетке и быстрой приспособляемости живых организмов к изменяющимся условиям жизнедеятельности.

17

Формы ферментов, образующиеся в результате модификации их молекул уже после синтеза, не называются изоферментами. Например, не являются изоферментами фосфорилированная и дефосфорилированная липаза жировой ткани.

15 Классификация и номенклатура ферментов

Внастоящее время из всех типов организмов выделено более 2000 ферментов. Для 250 ферментов с помощью рентгеноструктурного анализа определена пространственная структура.

Катализируемая химическая реакция представляет собой тот специфический признак, по которому один фермент отличается от другого. Поэтому естественно и логично, что классификация ферментов основывается на этом принципе. Современная классификация ферментов разработана специальной комиссией Международного Биохимического Союза.

Воснове классификации лежат три положения:

–все ферменты делятся на 6 классов по типу катализируемой реакции;

–каждый фермент получает систематическое название, включающее название субстрата, тип катализируемой реакции, и окончание «аза». Кроме того, комиссией сохранены и узаконены тривиальные названия;

–каждому ферменты присваивается четырехзначный шифр (код).

1 класс – оксидоредуктазы, ферменты, катализирующие окислитель- но-восстановительные реакции (присоединение кислорода, отнятие и перенос водорода, перенос электронов). Для оксидоредуктаз необходим общий кофактор (НАД, ФАД, Гем и т.д.).

Пример:

2 класс – трансферазы, ферменты переноса. Катализируют перенос целых атомных группировок с одного соединения на другое (например, остатков моносахаридов, фосфорной кислоты, аминокислот, аминных и метильных групп и т. д.). Для трансфераз необходим общий кофактор (пиридоксальфосфат, HS-КоА, нуклеозидфосфат и т.д.).

Пример:

18

т.е.расщепления сложных органических соединений на более простые с участием воды. к этому классу относятся эстеразы, расщепляющие сложноэфирные связи (например, липаза); пептидазы или пептидгидролазы (пепсин, трипсин и др.); гликозидазы, гидролизующие гликозидные связи и т.д.

Пример:

4 класс – лиазы, ферменты, катализирующие реакции негидролитического отщепления каких-либо группировок от субстрата с образованием двойной связи или присоединение группировок по месту разрыва двойной связи (например, присоединение или отщепление H2O, CO2, NH3 и т.д.).

Пример:

5 класс – изомеразы, ферменты, катализирующие реакции изомеризации, т.е. внутримолекулярного переноса химических группировок субстрата с образованием изомерных форм различных органических соединений (перемещают группы в пределах молекулы без изменения общей формулы субстрата).

19

альдегид

6 класс – лигазы (синтетазы), ферменты, катализирующие реакции синтеза, сопряжённые с разрывом высокоэнергетической связи в АТФ или в других высокоэнергетических соединениях (при этом возможно образование ─C ─ C─; C ─ S─; C ═ O; C ─ N-связей).

Пример:

Ферменты имеют названия, которые подразделяются на рабочие, систематические и тривиальные.

Рабочее название фермента складывается из названия субстрата, названия типа катализируемого превращения и окончания – «аза».

Например: ЛАКТАТ + ДЕГИДРОГЕНизация + АЗА = ЛАКТАТДЕГИДРОГЕНАЗА. Систематическое название фермента формируется следующим образом: указываются названия субстратов (через двоеточие), название типа химического превращения + аза). Также лактатдегидрогеназа будет иметь систематическое название:

«L-лактат : NAD+ – оксидоредуктаза».

(субстрат I) : (субстрат II) – тип химического превращения

Например, пиридоксальфермент, катализирующий реакцию переаминирования между L-аланином и α-кетоглутаровой кислотой, называется L-ланин: 2-ок- соглутарат аминотрансфераза:

(α -кетоглутаровая)

Вэтом названии отмечены три особенности:

–первым субстратом является L-аланин;

20

–вторым субстратом (акцептором) служит 2-оксоглутаровая кислота;

–от субстрата к акцептору передаётся аминогруппа.

Систематические названия без дополнительных объяснений позволяют представить реакцию, которую катализирует данный фермент. Однако часто они довольно длинны, поэтому наряду с ними используется тривиальное название, которое строится из названия субстрата с изменением суффикса «аза» (фумараза, гистидаза, аргиназа и т.п.). За некоторыми ферментами оставлены тривиальные названия, предложенные авторами, впервые их открывшими: пепсин, трипсин, ренин и т.д.

Каждый фермент имеет свой шифр, перед которым стоят две буквы – КФ. Шифр четырёхзначный, цифры шифра разделены точками и характеризуют следующие признаки фермента.

Первая цифра указывает класс фермента.

Вторая – подкласс. У оксидоредуктаз она указывает природу той группы в молекуле донора, которая подвергается окислению;

утрансфераз – природу переносимой группы;

угидролаз – тип гидролизуемой связи;

улиаз – тип связи, подвергающейся разрыву;

уизомераз – тип катализируемой реакции изомеризации;

улигаз – тип вновь образуемой связи.

Третья – подподкласс. У оксидоредуктаз – это тип участвующего в реакции акцептора: кофермент НАД+ или НАДФ+; цитохром и т.п. У трансфераз третья цифра указывает на тип транспортируемой группы; у гидролаз – уточняет тип гидролизуемой связи; у лиаз – тип отщепляемой группы; у изомераз – уточняет характер превращения субстрата; у лигаз – природу образующегося соединения.

Четвёртая цифра обозначает порядковый номер фермента в данном подклассе.

Внимание технологов, перерабатывающих биологическое сырьё, привлекают, прежде всего, ферменты 1-го класса оксидоредуктазы, а также 3-го класса – гидролазы, поскольку при переработке пищевого сырья происходит разрушение клеточной структуры биологического материала, повышается доступ кислорода к

21