Классы ферментов и их отдельные представители

Оксидоредуктазы(1)

К классу оксидоредуктаз принадлежат все ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Субстрат, подвергающийся окислению рассматривается как донор водорода. Систематическое назва-ние составляется по типу “донор:акцептор оксидоредуктаза”. Термины “донор” и “акцептор” введены потому, что происходит реакция переноса двух восстановительных эквивалентов в той или иной форме (атомов водо-рода, электронов, гидрид-ионов и т.д.) от одного субстрата (окисляемого) к другому (восстанавливаемому).

В зависимости от природы окисляемых групп в молекуле донора оксидоредуктазы разделили на 19 подклассов. Деление на подподклассы произведено в зависимости от природы акцепторов, которыми могут быть кофермент (НАД или НАДФ), цитохром, молекулярный кислород и т.д.

Рекомендуемое название включает следующие термины. Оксидоредуктазы всех подподклассов, для которых акцептором водорода служит любое соединение, но не кислород, называют дегидрогеназами, а в случаях, когда донор водорода точно не установлен, используют термин редуктаза. Если акцептором служит кислород, то ферменты, катализирующие перенос водорода на него, называют оксидазами. Реакции прямого включения кислорода в молекулу органического субстрата катализируют оксигеназы; при этом происходит включение либо двух атомов кислорода (диоксигеназы), либо одного атома кислорода (монооксигеназы). Термин пероксидаза относится к ферментам, использующим в качестве окислителя пероксид водорода.

Многие дегидрогеназы в качестве акцептора водорода используют коферменты НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), содержащие в своих молекулах производ-ное пиридина - никотинамид. В связи с чем эти ферменты получили название пиридиновых (пиридинзависимых) дегидрогеназ, или пиридин-протеинов. Приводим структурную формулу окисленной формы НАД и НАДФ (обозн. НАД⁺ и НАДФ⁺

(Восстановленная форма нуклеотидных коферментов обозначается НАД·Н + Н⁺ (сокр. НАД·Н) и НАДФ·Н+Н⁺ (сокр. НАДФ·Н).

Установлено, что большая часть пиридиновых дегидрогеназ функционирует только с коферментом НАД, меньшая - только с НАДФ и сравнительно небольшая группа - как с НАД, так и с НАДФ.

Считается, что восстановительные эквиваленты от НАД·Н расходуются для запаса энергии в виде АТФ, а от НАДФ·Н для восстановительных этапов процессов биосинтеза.

Пиридиновые дегидрогеназы называют анаэробными, т.к. они передают отнятый от субстрата водород любому соединению, но не кислороду.

Наряду с пиридиновыми дегидрогеназами в окислительно-восстановительных реакциях участвуют флавиновые (флавинзависимые) дегидрогеназы, или флавопротеины. Такое название эти ферменты получили в связи с тем, что в качестве простетической группы (прочно связанного с белковой частью кофермента) содержат флавинмононуклеотид (ФМН) или флавинадениндинуклеотид (ФАД):

 

Большинство флавиновых дегидрогеназ содержит в своем составе ФАД.

Катализ окислительно-восстановительных реакций флавиновыми дегидрогеназами обусловлен последовательным окислением и восстановлением изоаллоксазинового кольца рибофлавина:

 

К а т а л а з а (КФ 1.11.1.6; пероксид водорода:пероксид водорода оксидоредуктаза) катализирует следующую реакцию:

Н₂О₂ + Н₂О₂ 2Н₂О + О₂

Каталаза - двухкомпонентный фермент, простетической группой которого является гематин, представляющий протопорфирин, содержащий атом трехвалентного железа (см. формулу на стр. 134).

Этот фермент широко распространен в природе и найден у животных, растений, аэробных бактерий. Роль каталазы в организме связывают с расщеплением образующегося в процессе окисления ядовитого для клеток пероксида водорода.

Каталаза содержится и в молоке. В молоко она переходит из клеток молочной железы, а также вырабатывается содержащимися в молоке бактериями и лейкоцитами.

аталазное число молока от здоровых коров составляет 0,7 - 2,5. Молоко коров с больным выменем и молозиво имеют каталазное число достигающее 15 и выше.

Следующий фермент этого подкласса п е р о к с и д а з а (КФ 1.11.1.7; донор:пероксид водорода оксидоредуктаза). Пероксидаза содержится в тканях животных и растений, молоке, лейкоцитах, некоторых бактериях; катализирует окисление фенолов, аминов, некоторых гетероциклических соединений (например, индола) по схеме:

донор + Н₂О₂ окисленный донор + 2 Н₂О.

Пероксидаза - двухкомпонентный фермент, ее простетическая группа представлена гематином. Гематин каталазы и пероксидазы имеет одинаковое строение. Следовательно, различия в каталитической функции этих ферментов определяются исключительно белковой частью.

Пероксидаза играет важную роль в дыхании растений. В молочной промышленности реакцию на пероксидазу используют для контроля эффективности пастеризации молока (пероксидаза молока инактивируется при температуре около 80^ОС). Реакцию на пероксидазу применяют для оценки свежести мяса птицы (кроме водоплавающей). Свежее мясо дает положительную реакцию; мясо подозрительной свежести - отрицательную.

Ц и т о х р о м н а я с и с т е м а. Эта система состоит из цитохромов и фермента цитохромоксидазы. Цитохромы принадлежат к сложным белкам; их железопорфириновая простетическая группа, называемая гем, по своему строению очень близка к простетической группе гемоглобина (см. хромопротеины).

Все известные цитохромы в зависимости от природы гема разделены на четыре группы: а, в, с и d. Железопорфириновые структуры каждого из этих цитохромов различаются боковыми цепями. Кроме этого цитохромы отличаются друг от друга белковыми компонентами и по способу присоединения простетической группы к белку. У цитохромов с хорошо установленной структурой при букве ставят числовой индекс, указывающий на принадлежность цитохрома к определенной подгруппе. Например, в митохондриях высших животных и растений идентифицировано пять различных цитохромов: а, а₃, в, с, с₁.

Цитохромы - переносчики электронов в процессах окисления и восстановления. Они обнаружены во всех аэробных клетках. В ходе переноса электронов железо простетической группы цитохромов попеременно переходит из ферриформы [Fе (III)] в ферроформу [Fе (II)]. Функция цитохромов была установлена в 1925 г. Д.Кейлином.

Цитохромоксидаза, классифицируемая и как фермент (КФ 1.9.3.1; ферроцитохром С: кислород оксидоредуктаза), и как цитохром (цитохром а а₃), содержит две железопорфириновые группы (гем а и гем а₃) и два атома меди. Ее функция состоит в переносе электронов на молекулярный кислород; последний при этом приобретает способность реагировать с находящимися в водной среде клетки ионами водорода, образуя воду.

 

Т р а н с ф е р а з ы (2)

К классу трансфераз принадлежат ферменты, катализирующие перенос различных остатков или групп от одного соединения, расматриваемого как донор группы (остатка), к другому соединению, рассматриваемому как акцептор. Систематическое название ферментов этого класса формируется по схеме “ донор: акцептор (транспортируемая группа или остаток) трансфераза”.

В зависимости от характера переносимых остатков (одноуглеродные, альдегидные и кетонные, ацильные, гликозильные и др.) или групп (содержащие азот, фосфор или серу) класс разделили на восемь подклассов. Подклассы выделены в зависимости от химической природы переносимых групп (например, одноуглеродный остаток может быть метилом, формилом или карбоксилом; гликозильный остаток - гексозилом или пентозилом и т.п.).

Среди трансфераз имеются ферменты, катализирующие реакции с элементами синтеза. Чтобы подчеркнуть элемент синтеза в катализируемой реакции, для названия таких ферментов (как и фермент других классов, кроме синтетаз) применяют термин “ синтаза “. Рассмотрим некоторые из таких ферментов.

Г л и к о г е н (крахмал) - с и н т а з а (КФ 2. 4.1.11; УДФглюкоза: гликоген 4-a-глюкозилтрансфераза) катализирует следующию реакцию:

УДФглюкоза + (1,4-a-D-глюкозил)_n ® (1.4-a-D-глюкозил)_n+1 + 1 +УДФ

В зависимости от синтезируемого продукта рекомендуемое название фермента уточняется. Биосинтез крахмала катализирует крахмалсинтаза, гликогена - гликогенсинтаза.

 

4.2.3. Гидролазы (3)

Ферменты этого класса катализируют реакции гидролиза, т.е. расщепление сложных соединений на более простые с присоединением ионов воды: RR₁ + HOH = ROH + R₁H. В зависимости от типа гидроли-зуемой связи (сложноэфирная, гликозидная, пептидная и т.д.)гидролазы раз-делены на 11 подклассов. Подподклассы выделены с учетом природы суб-страта.

Систематическое название ферментов класса гидролаз составляется из названия гидролизуемого субстрата и названия отщепляемой группы в сочетании с термином “гидролаза”. Гидролазы имеют огромное значение не только для живых организмов, но и для биосферы в целом. Без этих ферментов невозможен круговорот биогенных элементов. Многие из гидролаз имеют промышленное значение.

 

Лиазы (4)

Ферменты этого класса катализируют удаление из субстратов определенных групп (СО₂, Н₂О, NH₃, альдегид) путем простого отщепления с образованием двойной связи или присоединение группы к двойной связи. Систематическое название фермента складывается из названия субстрата, названия удаляемой группы и через дефис слова “лиаза”. В рекомендуемых названиях используется термин “декарбоксилаза”, “альдолаза”, “дегидратаза”. В зависимости от типа разрываемых связей (С-С, С-О, С-N, C-S и др.) выделено семь подклассов. Деление на подподклассы произведено в зависимости от отщепляемой группы.

 

Изомеразы (5)

Ферменты этого класса катализируют изомеризацию, т.е. геометрические или структурные изменения, происходящие в пределах одной молекулы. Эти изменения могут происходить вследствие внутримолекулярного перемещения атомов водорода, фосфатных и ацильных групп, различных радикалов, двойных связей и т.п. В зависимости от типа катализируемой реакции изомеразы разделены на пять подклассов; подподклассы выделены в зависимости от характера превращения субстрата.

Фермент, катализирующий внутримолекулярный перенос групп называют мутазой. Изомеразы, катализирующие реакции инверсии при центрах асимметрии, называют рацемазами и эпимеразами. Рацемазы катализируют взаимные превращения D- и L-изомеров, эпимеразы - реакции изменения взаимного расположения атома водорода и гидроксильной группы у одного из углеродных атомов моносахоридов или их производных.

 

Л и г а з ы, или с и н т е т а з ы (6)

Эти ферменты катализируют реакции присоединения друг к другу двух молекул, сопряженные с гидролизом пирофосфатной связи в АТФ или другом нуклеозидтрифосфате. Образуемые в этих реакциях связи часто являются высокоэнергетическими. В зависимости от типа вновь образуемой связи (- С- О-, -С-S-, -С-N- и др.) лиазы разделили на пять подклассов. Подподклассы выделены в зависимости от природы образующегося соединения. Систематическое название составляется по схеме Х: У лигазы (образующая Z), где Х и У - соединяющие молекулы; в скобках указывается продукт расщепления нуклеозидтри- фосфата, участвующего в данной реакции в качестве источника энергии. В рекомендуемых названиях применяется термин “синтетаза”.