Способность ферментов к регуляции. Активность ферментов в клетке зависит от количества молекул субстрата, продукта, наличия кофакторов и коферментов. Действие ферментов в клетке упорядоченно: продукт одной ферментативной реакции является субстратом другой, образуются «метаболические пути».Активность ключевых и регуляторных (расположены в начале и/или в месте разветвления метаболического пути. Катализируют либо самые медленные – скорость-лимитирующие реакции, либо необратимые.) ферментов изменяется в зависимости от потребности клетки в конечном продукте метаболического пути.

Классификация

1961 год – систематическая номенклатура. Ферменты разбиты на 6 классов в зависимости от типа катализируемой химической реакции. Название ферментов по формуле.

1. Оксидоредуктазы – катализируют ОВР с участием 2 субстратов (перенос электронов или атомов водорода с одного субстрата на другой). Формула: «донор: акцептор-оксидоредуктаза», субстрат-подкласс оксидоредуктаз.

   • Дегидрогеназы – каталиризуют реакции дегидрирования( отщепления водорода). В качестве акцепторов электронов- коферменты NAD+, NADP+, FAD, FMN. Все ферменты обладают высокой субстратной спецефичностью.

   • Оксидазы. Акцептор электрона – молекулярный кислород. Цитохромоксидаза.

   • Оксигеназы (гидроксилазы) – атом кислорода из молекулы кислорода присоединяется к субстрату.

2. Трансферазы – катализируют перенос функциональных групп от одного соединения к другому. Подразделяют в зависимости от переносимой группы. Формула: «донор: акцептор-транспортируемая группа-трансфераза». Относятся аминотрансферазы, ацилтрансферазы, метилтрансферазы, гликозилтрансферазы, гликозилтрансферазы, киназы (фосфотрасферазы).

3. Гидролазы – катализируют реакции гидролиза (расщепление ковалентной связи с присоединением молекулы воды по месту разрыва). Подразделяют в зависимости от расщепляемой связи. Формула: «субстрат-гидролаза», либо «аза». Протеаза, липаза, фосфолипаза, рибонуклеаза. Гидролиз опеределенной химической связи: эстеразы, фосфатазы.

4. Лиазы – отщепляют от субстратов негидролитическим путем определенную группу (CO2, H2O, NH2, SH2) или присоединяют молекулы воды по двойной связи. Формула: «субстрат-отщепляемая или присоединяемая группировка».

5. Изомеразы – катализируют внутримолекулярные превращения. Подразделяют в зависимости от типа реакции изомеризации. «Изомеразы» - общее название. Могут катализировать внутримолекулярные ОВР, осуществляя взаимопревращения альдоз и кетоз, кетонных и енольных групп, перемещения двойных связей внутри молекулы. Название «мутаза» - когда изомеризация состоит во внутримолекулярном переносе группы.

6. Лигазы (синтетазы) – катализируют реакции присоединения друг к другу двух молекул с образованием ковалентной связи. Процесс сопряжен с разрывом фосфоэфирной связи в молекуле АТФ(при использовании энергии гидролиза АТФ, ферменты лигазы или синтетазы) или с разрывом макроэргических связей других соединений (источник энергии – любое макроэргическое соединение. Ферменты называют синтазами).

Название характеризует катализируемую или химическую реакцию.

Пример: D-глицеральдегид-3-фосфат: NAD-оксидоредуктаза (глицеральдегидфосфат дегидрогеназа). Субстрат - D-глицеральдегид-3-фосфат, тип реакции – ОВР в присутствии кофермента NAD+.

1972 год – правила номенклатуры ферментов.

Имеют кодовое четырехзначное цифровое обозначение:

1 цифра – класс фермента

2 цифра – подкласс – уточняет преобразуемую группировку

3 цифра – подподкласс – уточняет дополнительных участников реакции (донора и акцептора)

4 цифра – порядковый номер фермента в данной подгруппе

Малатдегидрогеназа (систематическое название L-малат: NAD-оксидоредуктаза и кодовый шифр 1.1.1.38). Шифр означает, что фермент относят к первому классу ферментов – оксидоредуктаз, окисляемая группа – гидроксильная группировка (1) в присутствии кофермента NAD+ (1) и порядковый номер фермента в этой подгруппе – 38.

Кофакторы и коферменты

Нужны ферменту для проявления ферментативной активности. Коферменты – низкомолекулярные органические соединения небелковой природы – часть некоторых ферментов, которая легко отделяется от белковой молекулы фермента и удаляется через полупроницаемую мембрану при диализе. Кофакторы – ионы металлов – термостабильный небелковый фактор. Апофермент – термолабильная белковая часть, в присутствии кофнрмента не обладает каталитической активностью. Холофермент – кофермент с апоферментом, обаладет каталитической активностью.

1. Кофакторы. Роль в ферментативном катализе:

   • Роль Ме в присоединении субстрата в активном центре фермента.

Ионы Ме – стабилизаторы молекулы субстрата.

Субстрат – комплекс превращаемого вещества с ионом металла.

Пример: для киназ субстрат – не молекула АТФ, а комплекс Mg2+-АТФ. Ион не взаимодействует с ферментом, а участвует в стабилизации молекулы АТФ и нейтрализации отрицательного заряда субстрата (облегчает присоединение к активному центру фермента). Комплекс E-S-Me.

Пример: расположение субстратов в активном центре гексокиназы – катализирует перенос концевого, гамма-фосфатного остатка молекулы АТФ на глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата.

Ион Mg2+ участвует в присоединении и «правильной» ориентации молекулы АТФ в активном центре фермента, ослабляя фосфоэфирную связь и облегчая перенос фосфата на глюкозу.

Ионы Ме – стабилизаторы активного центра фермента.

Ионы Ме – мостик между ферментом и субстратом. Облегчают присоединение к ферменту субстрата и протекание химической реакции. Ион Ме модет способствовать присоединению кофермента. Mg2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Mo2+. В отсутствии Ме ферменты «металлоэнзимы» активностью не обладают.

Комплекс E-Me-S.

Пример: пируват киназа (фосфоенолпируват в пируват).

• Роль Ме в стабилизации третичной и четвертичной структуры фермента.

Ионы Ме обеспечивают сохранение вторичной, третичной, четвертичной структуры молекулы фермента. Ферменты в отсутствии ионов Ме способны к химическому катализу, они нестабильны. Активность исчезает при изменениях рН, температуры.

Ионы Ме – стабилизаторы оптимальной конформации белковой молекулы.

В стабилизации второичной и третичной структуры принимают участие ионы щелочно-земельных Ме.

Пример: для поддержания третичной конформации пируваткиназы нужны ионы К+.

Пример2: для стабилизации четвертичной структуры алкогольдегидрогеназы (катализирует реакции окисления этанола) – ионы цинка. Алкогольдегидрогенза состоит из 4 субъединиц с молекулярной массой 151кД. В составе фермента 4 атома цинка. Удаление цинка – потеря активности фермента за счет диссоциации на 4 неактивные субъединицы с молекулярной массой 36 кД.

• Роль Ме в ферментативном катализе.

• Участие в электрофильном катализе.

Ионы Ме с переменной валентностью, имеющие свободную d-орбиталь и высиупающие в качестве электрофилов. Fe2+, Zn2+, Mn2+, Cu2+.

Пример: карбоангидраза – цинксодержащий фермент, катализирует реакцию образования угольной кислоты. Ион в результате электрофильной атаки участвует в образовании ионов из молекулы воды. Протон и гидроксильная группа присоединяются к диоксиду углерода с образованием угольной кислоты. Ионы Ме кчаствуют в стабилизации промежуточных соединений.

• Участие в ОВР.

Участие в переносе электронов.

Пример: в цитохромах (гемосодержащих белках) ион железа способен присоединять и отдавать один электрон.

Пример2: дофамингидроксилаза – катализирует реакцию образования норадреналина при участии витамина С. Отвечает ион меди. Фермент, содержащий ион Cu2+, не вступает в реакцию с молекулой кислорода. При восстановлении Cu2+ до Cu+ с помощью аскорбиновой кислоты образуется ион меди, способный взаимодействовать с кислородом с образованием перекисного соединения. Далее гидроксильная группа переносится на молекулу дофамина с образованием норадреналина.

• Роль Ме в регуляции активности ферментов. Роль регуляторных молекул.

Пример: ионы Ca2+ (изменяют активность ряда кальций-кальмодулинзависимых фермнтов) - активаторы фермента протеинкиназы С – катализирует реакции фосфорилирования белков.

2. Коферменты - производные витаминов и небелковые соединения, принимающие участие в проявлении каталитической функции ферментов.

Для протеазы, липазы, рибонуклеазы не нужны!

Локализуется в каталитическом участке каталитического центра. Выступает в качестве акцептора и донора химических группировок, атомов, электронов.

Может быть связан с белковой частью молекулы ковалентными (простетическая группа – FAD, FMN, биотин, липоевая кислота) и нековалентными связями (не диссоциирует от белковой молекулы. Пример: тиаминдифосфат).

Кофермент взаимодействует с ферментом только на время химической реакции, может рассматриваться в качестве второго субстрата. Примеры: NAD+, NADP+.

Апофермент обеспечивает специфичность действия, отвечает за выбор типа химического превращения субстрата. Пример: пиридоксальфосфат – участвует в реакциях трансаминирования или декарбоксилирования аминокислот.

Коферменты:

• Производные витаминов

• Геммы, входящие в состав цитохромов, каталазы, пероксидазы, гуанилатциклазы, NO-синтазы и являющиеся простетической группой ферментов

• Нуклеотиды – доноры и акцепторы остатка фосфорной кислоты

• Убихион, или кофермент Q, участвующий в переносе электронов и протонов в ЦПЭ

• Фосфоаденозилфосфосульфат, участвующий в переносе сульфата

• S-аденозилметионин (SAM) – донор метильной группы

• Глутатион, участвующий в ОВР