Классификация ферментов на основе реакционной и субстратной специфичности

Число различных известных реакций, катализируемых ферментами, более двух тысяч, и оно непрерывно растет. В 1961 г. специальной комиссией Международного биохимического союза (International Union of Biochemistry, ШВ) была создана и рекомендована к повсеместному использованию систематическая номенклатура ферментов, позволяющая ориентироваться в этом множестве биохимических превращений.

Все ферменты включены в «Каталог ферментов» под своим классификационным номером (КФ), состоящим из четырех цифр. В рамках этой классификации все ферменты подразделены на шесть главных классов.

Ферменты классифицируются не как индивидуальные вещества, а как катализаторы определенных химических превращений или групп химических превращений. Ферменты, выделенные из разных биологических источников и катализирующие идентичные реакции, могут довольно существенно отличаться по своей первичной структуре, тем не менее все они в перечне классифицированных ферментов фигурируют под одним шифром.

Первая цифра указывает на принадлежность к одному из шести главных классов. Следующие две определяют подкласс и подподкласс, а последняя — номер фермента в данном подподклассе. Например, лактатдегидрогеназа имеет номер КФ 1.1.1.27 (класс 1, оксидоредуктазы; подкласс 1.1, донором электрона является группа — СН-ОН; подподкласс 1.1.1, акцептор — NADP⁺).

В настоящее время принято два типа названий ферментов: рабочее, или тривиальное, и систематическое. Это связано с тем, что многие из систематических названий оказались очень длинными и сложными. Рабочее название складывается из названия субстрата, типа катализируемой реакции и окончания -аза. Например:

Оставлены прежние рабочие (тривиальные) названия для ряда давно известных ферментов: пепсина, трипсина, химотрипсина и т. д.

Систематическое название фермента образуется сложнее. Оно складывается из названий субстратов химической реакции, на которую действует фермент, названия типа катализируемого химического превращения и окончания -аза. Например, систематическое название фермента лактатдегидрогеназы пишется так:

Систематические названия даются только изученным ферментам. В каждом из шести главных классов объединены ферменты, обладающие одинаковой реакционной специфичностью.

Оксидоредуктазы. К классу оксидоредуктаз относятся практически все ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные превращения.

Оксидоредуктазы подразделяются на 17 подклассов. Субстрат, подвергающийся окислению оксидоредуктазами, рассматривается как донор водорода. Поэтому ферменты этого класса называют дегидрогеназами или реже редуктазами. Их систематическое название складывается из названия восстановителя (донора электронов), окислителя (акцептора электронов) и названия класса.

Например, фермент, катализирующий окисление этанола до ацетальдегида с использованием NAD⁺ в качестве окислителя, по систематической номенклатуре называют алкоголь: NAD*- оксидоредуктаза (шифр — 1.1.1):

Подклассы оксидоредуктаз по большей части определяются, например, типами соединений, выступающими в качестве доноров электронов, например:

• • подкласс 1 — окисление гидроксигрупп до карбонильных;
• • подкласс 2 — окисление карбонильных групп до карбоксильных;
• • подкласс 3 — окисление групп СН-СН до С-С;
• • подкласс 4 — окисление групп CH-NH2, приводящее обычно к образованию карбонильных групп и иона NH4 ;
• • подкласс 5 — окисление групп CH-NH;
• • подкласс 8 — действие на содержащие серу группы доноров;
• • подкласс 10 — на дифенолы и родственные группы доноров.

В отдельные подклассы выделены ферменты (оксигеназы), катализирующие реакции, осуществляющие введение в окисляемое вещество одного атома кислорода — подкласс 14 (монооксигеназы) или двух атомов кислорода — подкласс 13 (диоксигеназы) из молекулы Ог.

Трансфер азы. К этому классу относят ферменты, катализирующие негидролитические реакции переноса различных групп от одного субстрата (донора) к другому (акцептору). Трансферазы подразделяются на 8 подклассов в зависимости от строения переносимых ими групп. Ферменты, катализирующие перенос метальных групп, называют метилтрансферазами, аминных — аминотрансферазами и т. д. В принципе к трансферазам можно отнести и оксидоредуктазы, если считать главным не процесс окисления-восстановления, а перенос группы от донора к акцептору, сопровождающийся окислением-восстановлением. Эти ферменты можно назвать протонтрансферазами, электронтрансферазами:

• • подкласс 1 — ферменты, катализирующие реакции переноса одноуглеродных остатков;
• • подкласс 2 — перенос гликозильных остатков;
• • подкласс 3 — перенос ацильных групп;
• • подкласс 6 — перенос нуклеотидных остатков;
• • подкласс 7 — перенос остатков фосфорной кислоты, ее ангидридов и эфиров.

Часто донором в реакциях, катализируемых трансферазами, является кофактор (-СоА), содержащий группу, подлежащую переносу, например:

Гидролазы. Ферменты третьего класса — гидролазы — катализируют различные реакции гидролиза. Г идролазы подразделяются на 11 подклассов. Тривиальное название гидролаз образуется путем присоединения к названию субстрата окончания аза. Систематическое название обязательно содержит термин «гидролаза». В принципе их также можно отнести к трансферазам, поскольку гидролиз можно рассматривать как перенос специфической группы субстрата, являющегося донором, на молекулу воды, служащую акцептором. Однако роль воды как акцептора считается главной в действии этих ферментов, поэтому данные ферменты выделены в отдельный класс. Например:

Подклассы подразделяют в соответствии с типом гидролизуемых связей:

• • подкласс 1 — гидролиз эфиров карбоновых кислот;
• • подкласс 2 — гидролиз гликозидных связей;
• • подкласс 3 — гидролиз простых эфиров и тиоэфиров;
• • подкласс 4 — гидролиз пептидных связей;
• • подкласс 5 — гидролиз связей C-N, отличных от пептидных связей;
• • подкласс 6 — гидролиз ангидридных связей, например, катализатор формил-СоА-гидролаза (3.1.2):

Функцией большего числа гидролаз является гидролиз биополимеров — белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов. В основном это пищеварительные ферменты. Например, пепсин — протеаза, расщепляющая белки на большие фрагменты.

Лиазы (синтазы). Ферменты четвертого класса — лиазы — катализируют в одном направлении негидролитическое расщепление субстрата с образованием кратной связи или, реже, цикла, а в другом направлении присоединение кратной связи. Например:

При разрыве связи С-О возникает вторая кратная связь и образуется молекула СОг. Это происходит с помощью фермента карбоангидразы (4.2.1):

Лиазы подразделяются на четыре подкласса и классифицируются по типу разрываемой связи:

• • подкласс 1 образуют С-С-лиазы;
• • подкласс 2 — С-О-лиазы;
• • подкласс 3 — C-N-лиазы.

Систематическое название составляется по принципу субстрат-группа-лиаза. В тривиальных названиях лиаз указывается особенность участия групп в реакциях — карбоксилаза (присоединение карбоксильной группы), дегидратаза (отнятие молекулы воды от субстрата) и т. д.

Если необходимо подчеркнуть образование субстрата из двух субстратов более простого строения, то в названии лиаз употребляется термин синтаза, например цитратсинтаза.

Изомеразм. К этому классу относятся ферменты, катализирующие превращения в пределах одной молекулы, иными словами катализирующие различные процессы изомеризации. Изомеразы подразделяются на пять подклассов. Названия ферментов складываются в зависимости от типа реакции изомеризации: мутазы, таутомеразы, рацемазы, эпимеразы, изомеразы и т. д.:

• подкласс 1 составляют различные ферменты, с помощью которых осуществляется обращение конфигурации при хиральном атоме С:

• (катализатором является 0-рибулозо-5-фосфат-3-эпимераза (5.1.3));
• • подкласс 2 — катализирует цис-транс-изомеризацию;
• • подкласс 3 — катализирует внутримолекулярные процессы окисления — восстановления (взаимопревращение альдегоз и кетоз);
• • подкласс 4 — катализирует внутримолекулярный перенос различных фрагментов.

Лигазы (синтетазы). Шестой класс составляют ферменты, катализирующие реакции конденсации или присоединения, сопряженные с гидролизом, с использованием энергии фосфатной связи.

Источником энергии в реакциях, катализируемых синтетазами, является АТР или другие нуклеозидтрифосфаты. Например:

Разделение на подклассы связано с типом образуемой связи:

• • подкласс 1 — катализирующие образование связей С-О;
• • подкласс 2 — образование связей C-S;
• • подкласс 3 — связей C-N;
• • подкласс 4 — связей С-С;
• • подкласс 5 — связей Р-О.

Например, реакция.

катализируется ацилкофермент-А-синтетазой (6.2.1).