Классификация ферментов. 
Организм человека: процессы жизнедеятельности и их регуляция

В соответствии с международной классификацией (она была принята в Москве на V Международном биохимическом конгрессе в 1961 г.) все известные ферменты, которых в настоящее время насчитывают до 3200, в зависимости от их функции в клетке разделены на 6 классов. В каждом из классов выделены подклассы, подподклассы. По данной классификации название фермента составляется из химического названия субстрата реакции и типа реакции, которую катализирует фермент. При этом в названии фермента всегда имеется окончание — аза. Например, при взаимодействии аминокислоты L-аланина с кетокислотой 2-оксоглутаровой кислотой (а-кетоглуторатом) протекает реакция переаминирования, в ходе которой происходит перенос аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту и образуются новые кетои аминокислоты. Эту реакцию катализирует фермент, который называется L-аланин — 2 оксоглутарат аминотрансфераза.

Класс 1. Оксидроредуктазы — катализируют окислительно-восстановительные реакции, т. е. реакции, в которых сопряжены восстановление одних веществ и окисление других. При этом один из реагентов (восстановитель) окисляется, а другой (окислитель) восстанавливается. Восстановление — это присоединение молекулой или атомов водорода, или электронов; или отсоединение от молекулы кислорода. Окисление — это или отсоединение атомов водорода или электронов, или присоединение к молекуле кислорода.

Окислительно — восстановительные реакции в клетках обеспечивают, во-первых, трансформацию энергии, а во-вторых, образование необходимых веществ, в том числе веществ-регуляторов, а также, в-третьих, обезвреживание экзогенных и эндогенных веществ.

В классе 1 выделено 18 подклассов, в каждом из которых несколько подподклассов, но при этом в данном классе некоторые авторы выделяют несколько групп ферментов, имеющих сходство во взаимодействиях с определенными субстратами. В эти группы могут входить ферменты различных подклассов (номер фермента по международной классификации указан в скобках). Это следующие группы:

а) Анаэробные дегидрогеназы (ДГ) (от hidrogenium, рождающий воду — водород) (1.1.1, 1.2.1) — отсоединяют водород от субстрата, сами восстанавливаются и могут взаимодействовать с другим субстратом, при этом окисляясь. Они не используют кислород в качестве акцептора водорода. Например, лактат дегидрогеназа (1.1.1.27) —лактатДГ, дегидрогеназы кислот цикла Кребса (изоцитратДГ (1.1.1.41), малатДГ (1.1.1.37)), альдегиддегидрогеназа (1.2.1.3), алкогольдегидрогеназа (1.1.1.1). Все они — сложные ферменты, содержащие в виде кофермента НАД (НАДО).

НАД⁺ (НАДФ⁺) никотинамидаденнндинуклеотид (фосфат)-кофермент сложных ферментов дегидрогеназ (ДГ), относящихся к 1-му классу ферментов — оксидоредуктаз, образован двумя нуклеотидами. Азотистое основание одного нуклеотида, входящего в состав НАД+, — это аденин, а второго — амид никотиновой кислоты — витамин В₅. Амид никотиновой кислоты в составе НАД (НАДО) существует в виде пиридиниевого катиона, то есть в его составе имеется положительно заряженный атом азота (=N±) и 3 двойные связи. Поэтому правильное обозначение окисленной формы — это НАД⁺(НАДФ⁺). Взаимодействуя с субстратом в окислительно-восстановительных реакциях, НАД⁺(НАДФ⁺) окисляет субстрат, отсоединяя от него 2 атома водорода, и восстанавливается, превращаясь в восстановленную форму НАД • Н (НАДФ • Н) + Н⁺. То есть протон одного из атомов водорода не включается в молекулу кофермента.

Особенностью НАД⁺ (НАДФ+)-содержащих ферментов является то, что их коферменты после восстановления отсоединяются от апофермента и образуется свободная форма НАД • Н (НАДФ • Н). В этом виде данный кофермент может присоединится к апоферменту другого фермента оксидоредуктазы, образуя связанную форму НАДН, входящую в состав его активного центра. Включение субстрата в активный центр этого фермента приводит к окислению кофермента и восстановлению субстрата.

Так, в клетках в гликолизе при окислении НАД⁺-содержащей ДГ 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА) образуется 3-фосфоглицериновая кислота и восстановленная форма кофермента НАДН, которая отсоединяется от апофермента и становится свободной формой НАДН. Она соединяется с апоферментом лактатдегидрогеназы (ЛДГ), превращается в НАДН связанный. При недостатке кислорода этот НАДН в ферменте окисляется (превращаясь в НАД+), катализируя восстановление пировиноградной кислоты (пирувата) — кето- (оксокислоты), в результате чего образуется лактат (оксикислота).

• б) Аэробные дегидрогеназы (1.1.3) удаляют водород от субстрата, могут использовать как акцептор водорода кислород и другие вещества, при этом конечным продуктом катализируемых ими реакций является перекись водорода. Это, например, ксантиндегидрогеназа (ксантиноксидаза) — (1.1.3.22) — сложный фермент. Он содержит металлы (Fe, Мо) и имеет кофермент в виде ФАД — флавинаденпндину- клеотида — кофермента дегидрогеназ, состоящего из 2 нуклеотидов. Азотистое основание одного нуклеотида — аденин, а второго — рибофлавин — витамин В₂. Ферменты, содержащие ФАД, катализируют окисление субстратов, сопряженное с восстановлением ФАД, т. е. образованием ФАД 2Н.
• в) Оксидазы (1.1.3) — отсоединяют водород от субстрата, могут использовать как акцептор молекулярный кислород, конечный продукт реакции — вода и окисленный субстрат. Например, цитохромоксидаза (1.9.3.1), сложный фермент, комплекс цитохромов а_г и а₃, каждый из них содержит в виде простетической группы гем — азотсодержащее вещество, содержащее железо.
• г) Гидроксипероксидазы (1.11) — используют как субстрат перекись водорода или органические перекиси, содержат гем. Например, каталаза (1.11.1.16) и пероксидаза (1.11.1.7.) — сложные ферменты, содержащие гемпорфирин, вещество, образованное 4 пиррольными кольцами (ароматическими 5-членными азотистыми гетероциклами), соединенными с двухвалентным.

К этой же группе относится глутатионпероксидаза. Это фермент, содержащий в своем составе глутатион и селен. Глутатион — это трипептид Глу-Цис-Гли, природный антиоксидант (антиокислитель). Восстановитель — тиольная группа цистеинового остатка. При окислении 2 молекул глутатиона образуется глутатион дисульфид. Он восстанавливается глутатионредуктазой (1.6.4.2.), содержащей НАДФ или ФАД.

д) Оксигеназы (1.13, 1.14) — вводят кислород в субстрат. Среди них выделяют, во-первых, диоксигеназы (1.13.11) — присоединяют к субстрату два атома кислорода. Например, арахидонат — липооксигеназа (1.13.11.п) — фермент, участвующий в биосинтезе одной из групп эйкозаноидов, образующихся при окислении арахидоновой кислоты, лейкотриенов.

Во вторых, — монооксигеназы (1.14). Например, простагландин Н-синтетаза (1.14.99.1) — фермент, содержащий гем. Этот фермент необходим для образования из арахидоновой кислоты таких эйкозаноидов, как простагландины и простациклины.

Также в клетке большое значение имеют такие оксиредуктазы, как супероксиддисмутазы (СОД) (1.15.1.1). Эти ферменты катализируют реакцию взаимодействия протонов с супероксидион-радикалом, в результате чего образуется перекись водорода. В простетическую группу СОД входят металлы: медь, молибден, цинк. Данные ферменты, наряду с каталазой, пероксидазой, глутадионоредуктазой, глутатионом и витамином Е, являются основными элементами антиоксидантной системы клетки, защищающей ее от разрушительного действия таких активных форм кислорода (АФК), как перекись водорода и супероксидион-радикал (0₃) —

Класс 2. Трансферазы — переносят функциональные группы с одного вещества на другое. В зависимости от переносимой группы выделяют следующие группы трансфераз.

Ацилтрансферазы (2.3) — сложные ферменты, содержащие в виде кофермента коэнзимА (КоА или HSKoA). По химической природе КоА (Ко — от коэнзим; А — от лат. acidum — кислота) — это нуклеотид, содержащий в качестве азотистого основания аденин. В соединенной с нуклеотидом цепи находится витамин В₃ (пантотеновая кислота) аминокислота аланин и концевая сульфгидрильная группа (SH-). Присоединяя к ней остатки карбоновых кислот, то есть ацильные остатки, КоА включает их в различные процессы метаболизма: окисление карбоновых и жирных кислот, биосинтез жирных кислот. Соединение с КоА остатка любой из карбоновых (в том числе и жирных) кислот (ацила) называют АцилКоА. Конкретизируя название кислоты, соединенной с КоА, различают, например, АцетилКоА — это остаток уксусной кислоты (ацетата), соединенный с КоА (активная уксусная кислота), или ПальмитоилКоА — соединение с КоА остатка пальмитиновой кислот.

Аминотрансферазы (2.6.1) — переносят аминогруппы с одного вещества на другое. В их состав входит витамин В₆ (пиридоксин). Многие аминотрансферазы катализируют реакции переаминирования, обеспечивающие образование в организме животных и человека заменимых аминокислот.

Киназы (2.7) — катализируют присоединение к субстрату остатков фосфорной кислоты, т. е. фосфорилируют субстрат. Например, гексокиназа (2.7.1.1.) фосфорилирует глюкозу или фруктозу. К этой группе относятся протеинкиназы (2.7.1.п) (ПК (РК)), то есть ферменты, фосфорилирующие различные белки, в том числе и ферменты. Описано около 200 протеинкиназ. Эти ферменты катализируют перенос концевого остатка фосфорной кислоты АТФ на различные группы в структуре белков. Например, при расщеплении гликогена, выполняющего функцию резерва глюкозы, перед отщеплением от цепи гликогена концевой молекулы глюкозы она форфорилируется. Эту реакцию катализирует такая киназа, как фосфорилаза. Активирует этот фермент протеинкиназа — киназа фосфорилазы (2.7.1.38).

Различают ПК, взаимодействующие: 1) с серином и треонином; 2) со спиртовой группой тирозина; 3) с атомами азота гистидина, лизина и аргинина; 4) с цистеином; 5) с аспаргиновой и глутаминовой кислотами. Две первые группы имеют много общего в строении.

Остаток фосфорной кислоты, соединенный с Сер, Тре, Три, удаляют ферменты фосфатазы.

Протеинкиназы являются «ключевыми» ферментами в регуляторных каскадах, запускаемых различными веществами-регуляторами. Активация ПК-з, как правило, посредством их фосфорилирования (иногда дефосфорилирования) осуществляется другими веществами. В зависимости от веществ, необходимых для активации протеинкиназ, различают следующие классы ПК-з.

1) А-Г-С (A-G-C) — класс. В этом классе протеинкиназы, А (ПК-А) активируются циклическим аденозинмонофосфатом (ц-АМФ), который образуется из АТФ при участии фермента аденилатциклазы. ПК-Г соответственно активируются ц-ГТФ, образующимся при действии гуанилатциклазы на ГТФ. ПК-С активируются такими посредниками, как диацилглицерол и ионы Са²⁺. 2) Са-кальмодуллин зависимые протеинкиназы (ПК-С). Кальмодуллин — это белок, связывающий 4 иона Са²⁺. Он может активировать ферменты. Например, кальмодуллин входит в состав активной киназы фосфорилазы. 3) Ц-М-Г (C-M-G) — класс. В него входят протеинкиназы, участвующие в митозе. Во-первых, это циклинзависимые протеинкиназы (Ц-ПГ). Циклины — это белки, управляющие митозом. Во-вторых, это МАР — киназы (Mitogen activated protein kinase — митогенактивируемые протеинкиназы). Митогены — это также белки, управляющие митозом. К этому классу ПК-з относится и киназа гликогенсинтетазы, то есть киназа, активирующая этот фермент, необходимый для биосинтеза гликогена в клетках печени. 4) Тир (Туг) — киназы — фосфорилируют остатки тирозина в различных белках — мишенях. Среди них растворимые Тир-киназы и мембрансвязанные киназы. Они являются частью рецепторов различных цитокинов и гормонов, в том числе и ростовых факторов. 5) киназы МАР-киназ и некоторые другие.

Класс 3. Гидролазы — катализируют реакции гидролиза, то есть взаимодействие с водой сложных веществ, в результате чего они расщепляются на простые вещества. Например, амилаза гидролизует крахмал с образованием молекул дисахаридов — мальтозы. В этот класс входит, в частности, подавляющее большинство ферментов пищеварительного тракта, гидролизующих сложные вещества пищи из строительных блоков. Это а-амилаза (3.2.1.1), пепсин (3.4.23.1), трипсин (3.4.21.4), аминопептидазы (3.4.11) и др., дезоксирибонуклеаза (3.1.21.1). К этому классу ферментов также относятся многие другие ферменты, действующие в клетках. Это, например ацетилхолинэстераза (3.1.1.7), расщепляющая нейромедиатор ацетилхолин, или фосфодиэстераза (3.1.4.17), инактивирующая ц-АМФ.

Класс 4. Лиазы (синтазы) — расщепляют или завязывают связи в различных субстратах без их окисления или гидролиза. Они катализируют отщепление групп от субстратов с образованием двойных связей или по месту двойных связей. Действуют на связи С-С, С-О, C-N, С-S. Например, пируватдекарбоксилаза (4.1.1.1), содержащая витамин В_г (тиамин), отсоединяющая двуокись углерода от пирувата при его окислительном декарбоксилировании, или цитрат-синтаза (4.1.3.7) — фермент, «запускающий» цикл Кребса, катализирует взаимодействие оксалоацетата с остатком уксусной кислоты, соединенным с КоА (АцетилКоА), в результате чего образуется цитрат.

Класс 5. Изомеразы — катализируют внутримолекулярные перестройки. Например, глюкозо-6-фосфоизомераза (5.3.1.9) — это фермент, катализирующий в гликолизе превращение глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат.

Класс 6. Лигазы (синтетазы) — катализируют реакции соединения двух молекул, протекающие с затратами АТФ (гидролизом АТФ). Например, аминокислота-т-РНК-лигаза (аминоацил-т-РНК-синтетаза) (6.1.In) — фермент, катализирующий активацию аминокислоты и присоединение ее к т-РНК (п — название активируемой аминокислоты). К этому классу ферментов относится также пируваткарбоксилаза (6.4.1.1), катализирующая превращение пирувата в оксалоацетат.

Эта классификация ферментов до сих пор не утратила своего значения, более того, исследования структуры многих ферментов, проведенные в последние десятилетия, позволили выявить сходство и общность происхождения в строении ферментов, относящихся к одному классу.