ФЛАВИНОВЫЕ ПРОСТЕТИЧЕСКИЕ ГРУППЫ

КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ

Классификация ферментов основана на природе катализируемых реакций.

Существуют 6 основных классов ферментов.

№ п/п	Класс	Тип катализируемой реакции
1.   2.   3.   4.   5.   6.	Оксидоредуктазы   Трансферазы   Гидролазы   Лиазы   Изомеразы   Лигазы (синтетазы)	Перенос электронов (окислительно-восстановительные реакции) Реакции с переносом групп (амино-, глико, ацил-) с одной молекулы на другую Реакции гидролиза (перенос функциональных групп на молекулу Н2О) Присоединение групп по двойным связям и обратные реакции Реакции изомеризации, т.е. перенос групп внутри молекулы с образованием изомерных форм Образование С-С-, С-S-, C-O-, C-N- связей за счет реакций конденсации, сопряженных с распадом АТФ

 

По классификации ферментов (КФ- русскоязычная, ЕС-англоязычная) каждый фермент (энзим) имеет свой определенный номер, состоящий из четырех групп цифр, разделенных точками. Первая цифра обозначает отнесение фермента к классу (одному из шести):

1. Оксидоредуктазы
2. Трансферазы
3. Гидролазы

4. Лиазы (Синтазы)

5. Изомеразы

6. Лигазы (Синтетазы)

Внутри каждого класса происходит разделение на подклассы, например, внутри первого класса различают:
EC 1.1 Действующие на CH-OH группы донора
EC 1.2 Действующие на альдегидные или оксо- группы донора
EC 1.3 Действующие на CH-СH группы донора
EC 1.4 Действующие на CH-NH2 группы донора
EC 1.5 Действующие на CH-NH группы донора
EC 1.6 Действующие на NADH или NADPH
Внутри каждого подкласса происходит разделение на подподклассы:
EC 1.1.1 Акцептор NAD или NADP
EC 1.1.2 Акцептор- цитохром
EC 1.1.3 Акцептор- кислород
EC 1.1.4 Акцептор- сульфид
EC 1.1.5 Акцептор- хинон или подобная группировка
EC 1.1.99 Другой акцептор

Последнее число - номер конкретного энзима:
EC 1.1.1.1 alcohol dehydrogenase
EC 1.1.1.2 alcohol dehydrogenase (NADP+)
EC 1.1.1.3 homoserine dehydrogenase
EC 1.1.1.4 (R,R)-butanediol dehydrogenase
EC 1.1.1.5 acetoin dehydrogenase
Разделение ферментов на классы строгое и не допускает произвольного изменения номеров.

Ферменты, кроме того, имеют названия, которые разделяются на рабочие и систематические. Рабочие названия образуются из объединения названия субстрата, типа реакции и окончания "-аза". Например: ЛАКТАТ + ДЕГИДРОГЕНизация + АЗА = ЛАКТАТДЕГИДРОГЕНАЗА. Систематическое название фермента формируется следующим образом: (название субстратов (через дробь), название типа химического превращения + аза). Та же лактатдегидрогеназа будет иметь систематическое название "L-лактат:NAD+ оксидоредуктаза".

Рассмотрим подробнее классификацию ферментов.

КЛАССЫ ФЕРМЕНТОВ:

1. ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ- катализируют реакции окисления-восстановления:

Лактатдегидрогеназа (LDH, EC 1.1.1.27) катализирует превращение молочной кислоты (лактат) в пировиноградную (пируват):

СН₃СН(ОН)СООН + NAD+ à CH₃COCООH + NADH + H+

2. ТРАНСФЕРАЗЫ - (РЕАКЦИИ ПЕРЕНОСА ГРУППИРОВОК С ОДНОГО СОЕДИНЕНИЯ НА ДРУГОЕ):

(холинацетилтрансфераза, ЕС 2.3.1.6, систематическое название: ацетил-КоА: холин О-ацетилтрансфераза)

СH₃CO-S-KoA + HO-СН₂-СН₂-N⁺(CН₃)₃ à КоА-SH + СН₃СОO-СН₂-СН₂-N⁺(CН₃)₃

3. ГИДРОЛАЗЫ (фосфатазы, эстеразы, фосфолипазы) (разрыв связей с присоединением воды):

а) Дипептидаза расщепляет дипептид на две аминокислоты при участии воды:

H₂N-CH(R)-CO-NH-CH(R')-COOH + H₂O à H₂N-CH(R)-COOH + NH₂-CH(R')-COOH

б) Холинэстераза (ЕС 3.1.1.7, ацетилхолин ацетилгидролаза) катализирует реакцию гидролиза сложного эфира холина и уксусной кислоты (ацетилхолина):
CH₃COO-CH₂-CH₂-N⁺(CH₃)₃ + H₂O à CH₃COOH + HO-CH₂-CH₂-N⁺(CH₃)₃

4. ЛИАЗЫ (альдолазы, гидратазы-дегидратазы, синтазы, декарбоксилазы) (катализ реакций разрыва связей в субстрате без присоединения воды или окисления):

пируватдекарбоксилаза (ЕС 4.1.1.1, 2-кетокислоты карбокси-лиаза) катализирует расщепление пирувата до уксусного альдегида с отщеплением СО2:

CH₃COCООH à CH₃COH + СО₂

карбоксилаза (плюс СО₂)

дегидратаза (минус Н₂О)

Цитрат-дегидратаза (ЕС 4.2.1.4, цитрат гидро-лиаза) катализирует отщепление-присоединение воды от лимонной кислоты с образованием аконитата и изоцитрата:

Фермент катализирует как прямые, так и обратные реакции.

синтаза (соединение двух мелких в один крупный)

Цитрат-синтаза (бывший ЕС 4.1.3.7) синтезирует лимонную кислоту из оксалоацетата (щавелевоуксусной кислоты, ЩУК) и молекулы Ацетил-КоА:

Приведенная выше реакция схожа с реакциями переноса групп, катализируемых трансферазами (энзимы 2-го класса), поскольку происходит перенос ацетильной группы с Ацетил-КоА на оксалоацетат, поэтому в настоящее время цитрат-синтаза отнесена к энзимам этого класса, имеет номер ЕС 2.3.3.1 и систематическое название ацетил-КоА: оксалоацетат С-ацетилтрансфераза (acetyl-CoA:oxaloacetate C-acetyltransferase [thioester-hydrolysing, (pro-S)-carboxymethyl forming]).

5. ИЗОМЕРАЗЫ (рацемазы, эпимеразы, мутазы) (внутримолекулярные перестройки).

Глюкозо-6-фосфат-изомераза (ЕС 5.3.1.9, D-глюкозо-6-фосфат кето-изомераза), например, превращает глюкозо-6-фосфат во фруктозо-6-фосфат и наоборот:

6. ЛИГАЗЫ (синтетазы, соединяют 2 части с использованием энергии АТФ). Реакции ферментов этого класса, как правило, необратимы.

Так, аспартат-синтетаза (ЕС 6.3.1.1, L-аспартат: аммиак-лигаза (АМФ-образующая) при участии молекулы АТФ синтезирует аспарагин из аспарагиновой кислоты и аммиака:

К подклассу 6.1 относят ферменты, катализирующие образование связей С-О (в том числе Аминоацил-т-РНК-синтетазы), к подклассу 6.2- образование связей C-S, 6.3- связей C-N, 6.4- связей С-С и 6.5- связей Р-О.

Например, к подклассу 6.4 относится фермент пируваткарбоксилаза (ЕС 6.4.1.1, пируват: СО2-лигаза (АДФ-образующая), при участии которой происходит превращение пирувата в оксалоацетат:

СО₂ + СН₃-СО-СООН + АТФ à HOOC-CH₂-CO-COOH + АДФ + Н₃РО₄

Ферменты обнаруживают все свойства белков. Все известные в настоящее время ферменты представляют собой глобулярные белки. Молекулярные массы ферментов лежат в пределах от 12 тыс. до 1 млн. Для ферментативной активности белков важное значение имеет сохранение их первичной, вторичной и третичной структур.

Некоторые ферменты состоят только из полипептидных цепей и не содержат других химических групп. Это однокомпонентные ферменты (рибонуклеаза из поджелудочной железы). Однако для каталитической активности многих ферментов необходим еще и дополнительный химический компонент – кофактор. Двукомпонентные ферменты состоят из белка и кофактора. Роль кофакторов могут играть неорганические вещества, например ионы Fe²+, Mn²+, Zn²+ или сложные органические вещества, которые в этом случае носят название коферментов. Кофермент, прочно связанный с ферментным белком, называется простетической группой фермента. Во многих случаях кофермент связан с ферментным белком слабо. Весь каталитически активный фермент вместе с коферментом или ионом металла носит название холофермента:

Апофермент (неактивный белок)

+ } холофермент

кофактор (активный фермент)

 

Коферменты и ионы металлов термостабильны, тогда как белковая часть фермента, называемая апоферментом, денатурирует при нагревании (т.е. полипептидные цепи разворачиваются). Коферменты служат промежуточными переносчиками атомов или функциональных групп (атомов Н, аминогрупп – NH₂, метильных групп – CH₃, ацильных групп) от одного субстрата к другому.

ФУНКЦИИ КОФЕРМЕНТОВ (КФ) И ПРОСТЕТИЧЕСКИХ ГРУПП (ПГ)

1. Участие в акте катализа
2. Осуществление контакта между энзимом и субстратом
3. Стабилизация апофермента

Апофермент, в свою очередь, усиливает каталитическую активность небелковой части (КФ и ПГ). Например, одна и та же NAD+ является КФ многих дегидрогеназ, отличие- в апоферментной части.

АКТИВНЫЙ ЦЕНТР- часть молекулы Ф. где происходит связывание и превращение субстрата. У Ф., имеющих четвертичную структуру, число АЦ может быть равно числу субъединиц.

Сам АЦ функционально неоднороден и имеет КАТАЛИТИЧЕСКУЮ ЗОНУ и СВЯЗЫВАЮЩУЮ З. Связывание субстрата- многоточечное.

СПЕЦИФИЧНОСТЬ Ф. бывает ОТНОСИТЕЛЬНАЯ (катализ превращений небольшой группы близких по свойствам СУБСТРАТОВ) и АБСОЛЮТНАЯ- катализ превращения только одного вещества.

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ОТДЕЛЬНЫХ КФ И ПГ.
1. нуклеотидного типа строения
2. витамины и их производные
3. металлы и металлсодержащие КФ и ПГ
4. другие

НИКОТИНАМИДНЫЕ КОФЕРМЕНТЫ NAD+ и NADP+

 

NAD+, NADP+- содержащие дегидрогеназы катализируют перенос гидрид-иона (Н-) от субстрата к никотинамидной части кофермента:

Восстановленная при этом часть кофермента отличается от окисленной только по производному никотиновой кислоты:

Восстановленные формы NADH и NADPH отсоединяются от апофермента и отделяются от дегидрогеназы. Затем они переносят гидрид ион на другую молекулу фермента (чаще всего- FMN, FAD-зависимого).

Катализируют обратимые реакции окисления спиртов, оксикислот, аминов и др. Хорошо изучены LDH- лактатдегидрогеназа, MDH- малатдегидрогеназа, ADH- алкогольдегидрогеназа. Для дегидрогеназ характерно наличие четвертичной структуры (ADH, MDH- димеры, LDH-тетрамер).

Спектральные различия- NAD+, NADP+- 260 nm, NADH, NADPH- 260, 340 nm).

Окисленные формы флавиновых простетических групп выглядят следующим образом:

Изоаллоксазиновое кольцо флавиновых ПГ имеет следующие спектральные свойства: окисленная форма- 280, 350-380, 450 нм, восстановленная- 280, 350-380 (с меньшими e).

FMN и FAD катализируют переходы: спирты-альдегиды, амины-имины, насыщ. карбонильные-a,b- ненасыщ. карбонильные, NADH, NADPH-NAD+, NADP+.

FMN, FAD- более сильные окислители. Сами передают гидрид ион непосредственно на кислород:

FADH₂, FMNH₂ + O₂ à FAD, FMN + H₂O₂

НУКЛЕОЗИДТРИФОСФАТЫ И НУКЛЕОЗИДДИФОСФАТ-САХАРА (НДФС)

АТФ, УТФ, ГТФ, ЦТФ- коферменты фосфотрансфераз (перенос ФОСФАТА, ПИРОФОСФАТА, АМФ ИЛИ АДЕНОЗИНОВОЙ ЧАСТИ).

Перенос нуклеозида аденозин на метионин с молеклы АТФ выглядит следующим образом:

НУКЛЕОЗИДДИФОСФАТ-САХАРА (НДФС)

УРИДИНДИФОСФАТ-ГЛЮКОЗА (УДФ-ГЛЮКОЗА) кофермент переноса остатка углевода:

УДФ-ГЛЮКОЗА + ФРУКТОЗА à УДФ + САХАРОЗА

КОФЕРМЕНТ АЦЕТИЛИРОВАНИЯ (КОЭНЗИМ А, или просто КоА)

Участвует в реакциях активации и переноса ацетильных и ацильных групп (присоединяется к S- в составе КоА, с образованием ацетил-КоА или ацил-КоА.