Классификация и номенклатура ферментов

Современные классификация и номенклатура ферментов были разработаны Комиссией по ферментам Международного биохимического союза и утверждены на V Международном биохимическом конгрессе в 1961 г. в Москве. Необходимость систематики номенклатуры диктовалась прежде всего стремительным ростом числа вновь открываемых ферментов, которым разные исследователи присваивали названия по своему усмотрению. Более того, одному и тому же ферменту часто давали два или несколько названий, что вносило путаницу в номенклатуру. Некоторые названия ферментов вообще не отражали тип катализируемой реакции, а при наименовании фермента исходили из названия субстрата, на который действует фермент, с добавлением окончанияаза: в частности, амилазы (ферменты, гидро-лизирующие углеводы), липазы (действующие на липиды), протеиназы (гидролизирующие белки) и т. д. До 1961 г. не было и единой классификации ферментов. Трудности заключались в том, что разные исследователи за основу классификации ферментов брали различные принципы. Комиссией были рассмотрены 3 принципа, которые могли служить основой для классификации ферментов и их обозначения. Первый принцип — химическая природа фермента, т. е. принадлежность к флавопротеинам, пиридоксальфосфатпротеинам, гемо-протеинам, металлопротеинам и т. д.

Однако этот принцип не мог служить общей основой для классификации, так как только для небольшого числа ферментов известны простетические группы, доступные идентификации и прямому определению. Второй принцип — химическая природа субстрата, на который действует фермент. По этому принципу трудно классифицировать фермент, так как в качестве субстрата могут служить разнообразные соединения внутри определенного класса веществ (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты) и бесчисленное множество промежуточных продуктов обмена. В основу принятой классификации положен третий принцип — тип катализируемой реакции, который является специфичным для действия любого фермента. Этот принцип логично использовать в качестве основы для классификации и номенклатуры ферментов. Таким образом, тип катализируемой химической реакции в сочетании с названием субстрата (субстратов) служит основой для систематического наименования ферментов. Согласно Международной классификации, ферменты делят на шесть главных классов, в каждом из которых несколько подклассов:

• 1. Оксидоредуктазы — катализируют окислительно-восстановительные реакции;
• 2. Трансферазы — катализируют реакции межмолекулярного переноса групп атомов и радикалов;
• 3. Гидролазы — катализируют реакции расщепления при участии воды;
• 4. Лиазы — катализируют реакции внутримолекулярного негидролитического расщепления, с образованием двойной связи или присоединения по двойной связи;
• 5. Изомеразы — катализируют реакции изомеризации;
• 6. Лигазы (синтетазы) — катализируют реакции синтеза с затратой энергии.

Оксидоредуктазы К классу оксидоредуктаз относят ферменты, катализирующие реакции окисления-восстановления. Общая схема может быть представлена следующим образом: Окисление протекает как процесс отнятия атомов Н (электроном от субстрата, а восстановление — как присоединение атомов Н (электронов) к акцептору. Если обозначить рецептор буквой А, а субстрат В, то уравнение реакции окисления-восстановления при участии оксидоредуктаз примет такой вид: В природных объектах обнаружено около 500 индивидуальных оксидоредуктаз. Наиболее распространены оксидоредуктазы, содержащие в качестве активной группы никотинамидадениндинуклеотид, или НАДН+. Их принято называть дегидрогеназами. Число известных процессов окисления спиртовых групп до карбонильных с помощью никотинамидных коферментов превышает две сотни. Например, важный промежуточный этап окисления глюкозы — это окисление глицеральдегид-3-фосфата, который протекает по реакции и приводит к образованию смешанного ангидрида 3-фосфоглицериновой кислоты и ортофосфорной кислоты — 1,3-дифосфоглицерата. Такой характер окисления имеет важное биоэнергетическое значение, поскольку остаток фосфорной кислоты, образующий ангидридную связь, может быть перенесен от 1,3-дифосфоглицерата на АДФ с образованием АТФ. Фермент, катализирующий эту реакцию, называют глицеральдегид-3- фосфатдегидрогеназой. Особого рассмотрения заслуживает подподкласс оксидоредуктаз, к которым относится небольшое число исключительно важных ферментов, катализирующих окислительное декарбоксилирование кетокислот остатком липоамида, связанного амидной связью с через аминогруппу остатка лизина с апоферментом трансацетилазой: Кофактором этих ферментов является тиаминпирофосфат: Схема превращений, происходящих в активном центре фермента участием реакционноспособного карбаниона тиаминпирофосфата можно представить в виде образовавшийся дигидролипоамид окисляется с помощью НАД+ третьим ферментом, участвующим в окислительном декарбокиировании, — дигидролипоамид дегидрогеназой, катализирующей реакцию. Ферменты, катализирующие превращения с участием молекулярного кислорода, разделаются на три основные группы: оксидазы, монооксигеназы и диоксигеназы. К оксидазам относятся ферменты, катализирующие процессы, в результате которых О2 восстанавливается до Н2О2 или до двух молекул воды.

К моноксигеназам относят ферменты, катализирующие окисление органических соединений, приводящее к включению одного из атомов кислорода молекулы О2 в молекулы этих соединений, и восстановление второго атома кислорода до воды. К монооксигеназам относится важная группа ферментов, известных под общим названием цитохромы Р450.

Диоксигеназы катализируют превращения, в ходе которых оба атома молекулы кислорода О2 включаются в состав окисляемого субстрата. Например, деструкция триптофана начинается с реакции образования формилкенуренина, в состав которого входят оба атома кислорода молекулы О2. Фермент, катализирующий эту реакцию, является гемопротеидом и называется триптофан 2,3-диоксигеназой. Фермент, катализирующий диспропорционирование свободного радикала НO2, образующегося в некоторых реакциях с участием О2 и являющегося очень сильным окислителем, называют супероксидисмутазой.

Трансферазы В этот класс входят ферменты, ускоряющие реакции переноса функциональных групп и молекулярных остатков от одного соединения к другому. В зависимости от характера переносимых группировок различают фосфотрансферазы, аминотрансферазы, гликозилтрансферазы, ацилтрансферазы, трансферазы, переносящие одноуглеродные остатки (метилтрансферазы, формилтрансферазы), и другие.

Фосфотрансферазы Сюда относят ферменты, ускоряющие реакцию переноса остатков фосфорной кислоты. К фосфотрансферазам относится, например, гексокиназа — фермент, ускоряющий перенос остатков фосфорной кислоты от молекулы АТФ к глюкозе (с этой реакции обычно начинается преобразование глюкозы). фермент иммобилизованный энзим молекула Аминотрансферазы Эти ферменты ускоряют реакцию переаминирования аминокислот с кетокислотами и очень важны для обеспечения биосинтеза аминокислот.

Пиридоксальфермент

Катализирует реакцию переаминирования. В результате серии реакций, включающих в себя непременное образование фермент-субстратных комплексов, аспаргиновая кислота переходит в щавелево-уксусную кислоту, а кетоглутаровая — в глутаминовую.

Гликозилтрансферазы Эти ферменты ускоряют реакции переноса гликозильных остатков из молекул фосфорных эфиров или иных соединений к молекулам моносахаридов, полисахаридов или иных веществ, обеспечивая главным образом, реакции синтеза и распада олигои полисахаридов в животном и растительном мире. Ниже приведено уравнение реакции распада сахарозы при участии сахароза-6-глюкозилтрансферазы, или сахарозофосфорилазы.

Гидролазы К классу гидролаз относят ферменты, ускоряющие реакции расщепления (иногда синтеза) органических соединений при участии воды. Они делятся на следующие подклассы:

Эстеразы катализируют реакции гидролиза сложных эфиров, спиртов с органическими и неорганическими кислотами. Важнейшими подподклассами эстераз являются гидролазы эфиров карбоновых кислот и фосфатазы. Представитель первого подподкласса — это липаза.

Липаза ускоряет гидролиз внешних, то есть, сложноэфирных связей в молекулах триглицеридов (жиров).

Гликозидазы Ферменты данной группы ускоряют реакцию гидролиза гликозидов.

Пептид-гидролазы Ферменты этого подкласса ускоряют гидролиз пептидных связей в белках и пептидах, при определенных условиях также синтез пептидных связей.

Лиазы К классу лиаз относят ферменты, ускоряющие негидролитические реакции распада органических соединений по связям С-С; С-N; C-O и т. д. При этом замыкаются двойные связи и выделяются такие простейшие продукты, как СО2, Н2О, NH3 и так далее.

Изомеразы Ферменты, относящиеся к этому немногочисленному (около 90 индивидуальных ферментов) классу, ускоряют геометрические или структурные изменения в пределах одной молекулы. Эти изменения могут состоять во внутримолекулярном переносе водорода, фосфатных и ацильных групп, в изменении пространственного расположения атомных группировок, в перемещении двойных связей и тому подобное. 3].