Классификация ферментов по видам биологической активности.
Сейчас известно около 2 тысяч ферментов, но список этот не закончен. По первой в истории изучения ферментов классификации их делили на две группы: гидролазы, ускоряющие гидролитические реакции, и десмолазы, ускоряющие реакции негидролитического распада. Затем была сделана попытка разбить ферменты на классы по числу субстратов, участвующих в реакции. В соответствии с этим ферменты классифицировали на три группы:
1. Катализирующие превращения двух субстратов одновременно в обоих направлениях.
2. Ускоряющие превращения двух субстратов в прямой реакции и одного в обратной.
3. Обеспечивающие каталитическое видоизменение одного субстрата как в прямой, так и в обратной реакции.
Одновременно развивалось направление, где в основу классификации ферментов был положен тип реакции, подвергающейся каталитическому воздействию. Наряду с ферментами, ускоряющими реакции гидролиза (гидролазы), были изучены ферменты, участвующие в реакциях переноса атомов и атомных групп (феразы), в изомеризации (изомеразы), расщеплении (лиазы), различных синтезах (синтетазы) и т. д. В зависимости от типа катализируемой реакции все ферменты подразделяются на 7 классов:
По типу катализируемых реакций ферменты подразделяются на 7 классов согласно иерархической классификации ферментов (КФ, EC — Enzyme Comission code). Классификация была предложена Международным союзом биохимии и молекулярной биологии (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Каждый класс содержит подклассы, так что фермент описывается совокупностью четырёх чисел, разделённых точками. Например, пепсин имеет название ЕС 3.4.23.1. Первое число грубо описывает механизм реакции, катализируемой ферментом:
КФ 1: Оксидоредуктазы, катализирующие перенос электронов, то есть окисление или восстановление. Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа.
Реакции, катализируемые оксидоредуктазами, в общем виде выглядят так:
A− + B → A + B−
Где A — восстановитель (донор электронов), а B — окислитель (акцептор электронов)
В биохимических превращениях окислительно-восстановительные реакции иногда выглядят сложнее. Вот, например, одна из реакций гликолиза:
Pн + глицеральдегид-3-фосфат + НАД+ → НАД · H + H+ + 1,3-бисфосфоглицерат
Здесь в качестве окислителя выступает НАД+, а глицеральдегид-3-фосфат является восстановителем.
Согласно международной классификации и номенклатуре ферментов оксидоредуктазы относятся к 1 классу, в пределах которого выделяют двадцать два подкласса:
КФ 2: Трансферазы, катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулы АТФ.
Широко распространены в растительных и животных организмах, участвуют в превращениях углеводов,липидов, нуклеиновых и аминокислот.[1]
Реакции, катализируемые трансферазами, в общем случае выглядят так:
A—X + B ↔ A + B—X.
Молекула A здесь выступает в качестве донора группы атомов (X), а молекула B является акцепторомгруппы. Часто в качестве донора в подобных реакциях переноса выступает один из коферментов. Многие из катализируемых трансферазами реакций являются обратимыми.
Согласно международной классификации и номенклатуре ферментов трансферазы относятся ко 2 классу, в пределах которого выделяют десять подклассов:
КФ 3: Гидролазы, катализирующие гидролиз химических связей. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза.
Общий вид реакции, катализируемой гидролазой, выглядит следующим образом:
A-B + H2O → A-OH + B-H
Проявляют активность при наличии неизменённых сульфгидрильных SH— групп, если таковые занимают определённое положение в полипептидной цепи. Каталитическое действие заключается в соединении гидролаз с расщепляемым веществом и последующим отщеплением продуктов реакции с высвобождением самих гидролаз. Механизм имеет много общего с действием трансфераз. Гидролазы переносят отщепляемые группы на воду, но некоторые способны переносить их и на другие молекулы. Часть гидролаз выделена в кристаллической форме (уреаза, пепсин, трипсин, химотрипсин и др.)
КФ 4: Лиазы, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов, а также обратные реакции, класс ферментов, катализирующих реакции негидролитического и неокислительного разрыва различных химических связей (C—C, C—O, C—N, C—S и других) субстрата, обратимые реакции образования и разрыва двойных связей, сопровождающиеся отщеплением или присоединением групп атомов по её месту, а также образованием циклических структур.
КФ 5: Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата с образованием изомерных форм.
КФ 6: Лигазы, катализирующие образование химических связей C—C, C—S, C—O и C—N между субстратами за счёт реакций конденсации, сопряжённых с гидролизом АТФ. Пример: ДНК-лигаза, Убиквитинлигаза фермент, катализирующий соединение двух молекул с образованием новой химической связи — лигирование. При этом обычно происходит отщепление (гидролиз) небольшой химической группы от одной из молекул.
ДНК-лигазы — ферменты (EC 6.5.1.1), катализирующие ковалентное сшивание цепей ДНК в дуплексе при репликации, репарации и рекомбинации. Они образуют фосфодиэфирные мостики между 5'-фосфорильной и 3'-гидроксильной группами соседних дезоксинуклеотидов в местах разрыва ДНК или между двумя молекулами ДНК. Для образования этих мостиков лигазы используют энергию гидролиза пирофосфорильной связи АТФ. Один из самых распространённых коммерчески доступных ферментов — ДНК-лигаза бактериофага Т4.
КФ 7: Транслоказы, катализирующие перенос ионов или молекул через мембраны или их разделение в мембранах.
АТФ-синтаза — ранее фермент относился к третьему классу и был назван по номенклатуре — АТФ-фосфогидролаза, но название не соответствует характеру работы фермента, так как гидролиз АТФ практически не происходит.
За ферментами, перемещёнными в класс транслоказ, сохранились прежние систематические названия.
Ферменты 7-го класса катализируют реакции переноса молекул или ионов через мембраны, сопряженного с другими реакциями.
Например, при переносе протонов из матрикса митохондрии в межмембранное пространство через комплекс I электрон-транспортной цепи (7.1.1.2) происходит восстановление убихинона до убихинола, и реакция описывается следующей схемой[2]:
NADH + CoQ + 6 H+ = NAD+ + CoQH2 + 7 H+
Второй пример — АТФ-синтаза, катализирующая реакцию переноса протонов из межмембранного пространства митохондрии в матрикс с образованием при этом молекулы АТФ из АДФ и неорганического фосфата, реакция описывается схемой:
АДФ + Фн + 4 H+ → АТФ + H2O + 4 H+
Кроме уже описанных АТФ-синтазы и НАДН-дегидрогеназного комплекса в седьмой класс ферментов входят:
Хинол: феррицитохром-с-оксидоредуктаза (КФ 7.1.1.8) - фермент, часто называемый комплексом цитохрома bc 1 или комплексом III, является третьим комплексом в цепи переноса электронов. Он присутствует в митохондриях всех аэробных эукариот и во внутренних мембранах большинства бактерий.
Цитохром- с -оксидаза (КФ 7.1.1.9) или комплекс IV электронтранспортной цепи — терминальная оксидаза аэробной дыхательной цепи переноса электронов, которая катализирует перенос электронов с цитохрома с на кислород с образованием воды.
Na+ /K+-обменная АТФаза (КФ 7.2.2.13) - фермент плазматической мембраны, повсеместно присутствующий в клетках животных, который катализирует отток трех Na + и приток двух K + на гидролизованный АТФ. Он участвует в генерации электрического потенциала плазматической мембраны.
Н+/К+-обменная АТФаза (КФ 7.2.2.19) - фермент слизистой оболочки желудка, который катализирует отток одного H+ и приток одного K+ за счёт гидролиза АТФ.
Транспортеры полярных аминокислот (КФ 7.4.2.1), неполярных аминокислот (КФ 7.4.2.2), митохондриального белка (КФ 7.4.2.3), использующие для транспортировки гидролиз АТФ.
Переносчик ксенобиотиков (КФ 7.6.2.2) - ферменты грамположительных бактерий и эукариотических клеток экспортируют ряд лекарств с необычной специфичностью, охватывая различные группы неродственных веществ, игнорируя при этом некоторые близкородственные по структуре вещества. В одной эукариотической клетке может присутствовать несколько различных ферментов. Многие из них также транспортируют конъюгаты глутатион-лекарство (см. КФ 7.6.2.3 , переносчик глутатион-S-конъюгата ABC-типа), в то время как другие также проявляют некоторую «флиппазную» активность.
Транспортер ацил-КоА (КФ 7.6.2.4) - фермент животных и дрожжей, который транспортирует ацил-КоА жирных кислот в пероксисомы и из них. У людей это связано с синдромом Целлвегера.
Второе число в наименовании фермента отражает подкласс, третье — подподкласс, а четвёртое — порядковый номер фермента в его подподкласс.
Будучи катализаторами, все ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакции, поэтому, например, лиазы способны катализировать и обратную реакцию — присоединение по двойным связям.