МЕЖДУНАРОДНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
Вохминцева Л.В., Шарапов В.И.
КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
Учебное пособие
Для студентов 2-го курса лечебного, педиатрического, стоматологического и медико-профилактического факультетов
Новосибирск 2012
УДК 615.355 (072)
ББК 28.072 я 73
К47
Вохминцева Л.В.. Шарапов В.И.
Классификация ферментов - Изд. испр. доп.- Новосибирск, 2012.- 32 с.
В настоящем учебно-методическом пособии рассмотрены классификации и номенклатура ферментов в соответствии с программой по биологической химии для студентов всех факультетов. Представлены сведения о принципах современной международной классификации ферментов, номенклатуры, представлены сведения о структуре классификации (классы, подклассы и подподклассы), рассмотрены подробно представители классов ферментов и их биологические функции.
Учебно-методическое пособие может быть использовано для подготовки к практическим занятиям, коллоквиумам и экзамену. Пособие предназначено для студентов 2-3 курсов всех факультетов.
О.Р. Грек, д.м.н., профессор, заведующий кафедрой фармакологии НГМУ,
А.А. Зубахин, д.м.н., профессор кафедры патологической физиологии и клинической патофизиологии НГМУ
Переработанное пособие утверждено на заседании кафедры медицинской химии,
протокол № 8 от 14.11.2011г.
Утверждено и рекомендовано к печати ЦМК по физиологии
(протокол № 2 от 18 января 2012г.)
© Вохминцева Л.В., Шарапов В.И.
© Новосибирский государственный
медицинский университет, 2012 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время число различных известных реакций, катализируемых ферментами, составляет более двух тысяч и число их постоянно возрастает. Для того, чтобы ориентироваться в этом огромном количестве биохимических превращений, необходима некоторая система, которая и была создана Международным союзом по биохимии (International Union of Biochemistry, IUB) и рекомендована к повсеместному использованию. Согласно этой классификации все ферменты разбиваются на шесть классов. Каждый класс разбивается на подклассы, а каждый подкласс – на подподклассы. Все они имеют свои номера. В пределах подподкласса каждый относящийся к нему фермент имеет свой порядковый номер. Таким образом, фермент характеризуется четырьмя цифрами, номером класса, подкласса, подподкласса и порядковым номером фермента в подподклассе. Кроме того, рекомендации IUB касаются и номенклатуры ферментов. Создана применимая для большинства ферментов систематическая номенклатура. Однако, допускается использование и других, упрощенных названий, причем из нескольких исторически сложившихся выделяется одно, рекомендуемое для использования.
Рассмотренные вопросы в настоящем учебном пособии включены в типовые и рабочие программы по биологической химии, на основании которых ведётся подготовка специалистов в ГОУ ВПО Росздрава Новосибирском государственном медицинском университете по всем специальностям.
Настоящее учебное пособие предназначено для самостоятельной подготовки студентов к практическим занятиям по биохимии для студентов 2-3 курсов всех факультетов по теме «Классификация ферментов», а также необходимо для подготовки к коллоквиуму и экзамену по курсу биохимии.
Целью данного пособия является формирования представлений о принципах классификации ферментах, основах номенклатуры ферментах, химической природе коферментов.
Знание основ классификации ферментов и номенклатуры, особенностей строения небелковой части, биологических функций отдельных ферментов позволит лучше понимать «язык» биохимии и ориентироваться в терминологии, облегчит дальнейшее изучение тем курса биологической химии.
Пособие включает вопросы международной классификации ферментов, номенклатуры ферментов, характеристики классов ферментов, включающих оксидоредуктазы, гидролазы, изомеразы, трансферазы, лиазы и лигазы. В разделах, посвященных отдельным классам, приведены примеры ферментов, их место в классификации, химическая природа коферментов и биологические функции.
Пособие содержит тестовые задания и ответы к ним, предназначенные для самооценки степени усвоения материала.
Для углубления представлений о классификации ферментов можно использовать литературу, представленную в конце пособия.
ВВЕДЕНИЕ
Химические реакции в живых организмах протекают с высокой скоростью, благодаря наличию катализаторов белковой природы – ферментов или энзимов. Ферменты были открыты в процессе изучения механизмов брожения, этим и объясняется происхождение их названия (от лат. fermentatio – брожение, en zyme – в дрожжах). Представление о том, что в живых системах химические реакции протекают при помощи каких-то факторов, возникло более 200 лет назад. Более чёткие химические представления сформировались в связи с развитием теории химического катализа, выдвинутой шведским химиком Й.Я. Берцелиусом, который первым отметил высокую производительность биологических катализаторов на примере диастазы.
В 50-х гг. XIX столетия Л. Пастер показал, что сбраживание дрожжами сахара в спирт катализируется веществами белковой природы – ферментами. В 20-х гг. XX в. З. Вильштеттер впервые получил ряд ферментов в высокоочищенном состоянии. В 1926 г. Дж. Самнер впервые получил растительную уреазу в виде белковых кристаллов. Четыре года спустя Дж. Нортроп и М. Кунитц представили данные о получении кристаллов трипсина и пепсина, доказав их исключительно белковую природу. Успехи прикладной энзимологии во второй половине XX столетия позволили получить более 2000 ферментов в более или менее очищенном состоянии.
Первоначально ферментам давали названия, прибавляя окончание -аза к названию субстрата, на который данный фермент действует. Так, ферменты, гидролизующие крахмал (амилон) были названы амилазами; ферменты, гидролизующие жиры (липос) – липазами; ферменты, гидролизующие белки (протеины) – протеиназами. Позднее ферменты стали называть по типу реакции, которую они катализируют: дегидрогеназы, оксидоредуктазы, декарбоксилазы и т.д. Многие из этих названий сохранились и до сих пор.
Необходимость систематики ферментов диктовалась, прежде всего, стремительным ростом числа вновь открываемых ферментов, которым разные исследователи присваивали названия по своему усмотрению. Часто одному и тому же ферменту давали два или несколько названий.
Существуют разные виды классификаций ферментов.
1. По химическому строению выделяют простые и сложные ферменты. Простые ферменты состоят только из аминокислот, а сложные содержат небелковую (простетическую) группу. Белковую часть сложных белков принято называть апоферментом. Связанную с белковой частью простетическую группу в составе сложного фермента принято называть кофактором или коферментом. Кофактор, как правило, представлен ионами металла (Zn2+, Fe2+, Cu+, Mg2+ и др). Коферменты имеют большую молекулярную массу и являются:
- производными витаминов (тиаминдифосфат, ФМН, ФАД, НАД, HSКоА, НАДФ, пиридоксальфосфат)
- невитаминные (биоптерин, тиоредоксин, глутатион, липоевая кислота, фосфаты, гем и др.).
2. По локализации в клетке различают лизосомальные, цитозольные, микросомальные, митохондриальные, ядерные ферменты.
3. По локализации в организме биологические катализаторы можно разделить на ферменты крови, сердца, печени и др.
4. По продолжительности жизни молекул фермента различают короткоживущие (Т1/2 менее 1 ч) и долгоживущие ферменты (Т1/2 более 1 ч).
5. По возможности адаптивно регулировать количество молекул фермента разделяют конститутивные ферменты, которые синтезируются в организме на постоянном уровне и индуцибельные или адаптивные, синтез которых в организме усиливается при определённых условиях.
Однако эти принципы не могли служить общей основой для классификации, так как только для небольшого числа ферментов известны простетические группы, доступные идентификации и прямому определению. Ещё меньше известно о тканевых особенностях регуляции синтеза ферментов.
Именно катализируемая химическая реакция является тем признаком, по которому можно отличить один фермент от другого. Естественно, что Международная комиссия по ферментам этот принцип положила в основу классификации ферментов, которая с незначительными изменениями и дополнениями используется до настоящего времени.
МЕЖДУНАРОДНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
Открытие огромного количества ферментов (более 3000) и их разнообразие заставило принять единую классификацию ферментов. Международный биохимический союз (IUB) в 1961 году ввел единую номенклатуру, принятую во всем мире. В основу современной классификации ферментов положен следующий принцип – тип катализируемой реакции. Этот принцип логично использовать в качестве основы для классификации и номенклатуры ферментов.
Таким образом, тип катализируемой реакции в сочетании с названием субстрата (субстратов) служит основой для систематического наименования ферментов. Согласно Международной классификации, ферменты делят на 6 классов (оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы).
По классификации ферментов (КФ – русскоязычная, ЕС – англоязычная) каждый фермент (энзим) имеет свой определенный номер (шифр), состоящий из четырех групп цифр, разделенных точками. Первая цифра обозначает отнесение фермента к классу, вторая – к подклассу, третья – к подподклассу и, наконец, четвертая – номер фермента. Например, шифр алкогольдегидрогеназы по классификации – КФ 1.1.1.1, малатдегидрогеназы – КФ 1.1.1.37. Разделение ферментов на классы строгое и не допускает произвольного изменения номеров. Номер (шифр) фермента абсолютно точно указывает место фермента в общем списке. Так, все оксидоредуктазы относят к первому классу, трансферазы – ко второму, гидролазы – к третьему и т.д.
Классификация ферментов: четырехчисловая система, первое число – класс (один из шести):
КФ 1. Оксидоредуктазы
КФ 2. Трансферазы
КФ 3. Гидролазы
КФ 4. Лиазы
КФ 5. Изомеразы
КФ 6. Лигазы
Внутри каждого класса происходит разделение на подклассы, например, внутри первого класса различают:
КФ 1.1 Действующие на CH-OH группы донора
КФ 1.2 Действующие на альдегидные или оксо- группы донора
КФ 1.3 Действующие на CH-СH группы донора
КФ 1.4 Действующие на CH-NH2 группы донора
КФ 1.5 Действующие на CH-NH группы донора
КФ 1.6 Действующие на НАДН или НАДФН и др.
Внутри каждого подкласса происходит разделение на подподклассы:
КФ 1.1.1 Акцептор НАД или НАДФ
КФ 1.1.2 Акцептор – цитохром
КФ 1.1.3 Акцептор – кислород
КФ 1.1.4 Акцептор – сульфид
КФ 1.1.5 Акцептор – хинон или подобная группировка
КФ 1.1.99 Другой акцептор
Последнее число- номер конкретного фермента:
КФ 1.1.1.1 Алкогольдегидрогеназа
КФ 1.1.1.2 НАДФ-зависимая алкогольдегидрогеназа
КФ 1.1.1.3 Гомосериндегидрогеназа
КФ 1.1.1.4 (R,R)-бутандиол дегидрогеназа и др.
НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ
Ферментология очень долго не располагала строго научной номенклатурой ферментов. Наименования ферментам давали по случайным признакам (тривиальная номенклатура). Примерами таких названий могут служить названия таких ферментов, как пепсин (от греч. пепсис – пищеварение), трипсин (от греч. трипсис – разжижаю), папаин (от названия дынного дерева Carica papaja, из сока которого он выделен). Характерное название было дано группе окрашенных внутриклеточных ферментов, ускоряющих окислительно-восстановительные реакции в клетке – цитохромы (от лат. citos – клетка и chroma – цвет).
Наибольшее распространение получила рациональная номенклатура. Она была предложена в 1883 году Э. Дюкло. Согласно которой название фермента образуются из объединения названия субстрата, типа реакции и окончания "-аза". Например, ЛАКТАТ + ДЕГИДРОГЕНизация + АЗА = ЛАКТАТДЕГИДРОГЕНАЗА. Фермент, ускоряющий реакцию гидролиза крахмала получил название амилаза (от греч. амилон – крахмал).
Систематическое название (в основе которого лежит международная классификация ферментов) фермента формируется следующим образом: (название субстратов (через двоеточие или дробь), название типа химического превращения + аза). Та же лактатдегидрогеназа будет иметь систематическое название «L-лактат:NAD+ оксидоредуктаза». Фермент, катализирующий перенос аминогруппы с аланина на a-кетоглутаровую кислоту имеет и рациональное название «аланинаминотрансфераза» и систематическое название – «L-аланин:2-оксоглутарат аминотрансфераза».
В связи со значительным усложнением научных названий в современной номенклатуре допускается сохранение наряду с новыми старых тривиальных, рабочих названий ферментов.