Номенклатура та класифікація ферментів
Сучасна номенклатура та класифікація ферментів були розроблені Комісією з ферментів Міжнародної біохімічної спілки і затверджені на V Міжнародному біохімічному конгресі в 1961 році.
1.2.1. Номенклатура ферментів.У даний час використовують дві назви ферментів: систематичну та тривіальну (або робочу).
Систематична назва дається лише добре вивченим ферментам і складається з назви субстрату хімічної реакції, на яку діє фермент, назви типу хімічного перетворення та закінчення - аза. Наприклад, систематична назва ферменту лактатдегідрогенази записується таким чином:
L – Лактат: НАД+ – Оксидоредуктаза
(де L-Лактат – це субстрат І, НАД+ - субстрат ІІ, а оксидоредуктаза - це тип хімічного перетворення, тобто окисно-відновний процес).
У клітинах печінки є фермент, який каталізує реакцію гідролітичного розщеплення глюкозо-6-фосфату на вільну глюкозу і фосфатну кислоту. Цей фермент має назву: глюкозо-6-фосфатфосфогідролаза. У цій назві відображено: назву субстрату - глюкозо-6-фосфат; назву продукту реакції - фосфатна кислота; тип реакції - гідроліз і додано закінчення - аза.
Тривіальна назва складається з назви субстрату, назви каталізованої реакції та закінчення - аза. Наприклад: лактат + дегідрогенізація + аза → лактатдегідрогеназа.
Збереглися й інші робочі назви ферментів. Вони не дають докладної характеристики їх дії, але введені давно і міцно вкоренилися, наприклад, пепсин, трипсин, хімотрипсин, уреаза тощо.
1.2.2. Класифікація ферментів. основою для створення класифікації ферментів і їх позначення служать три принципи, а саме: хімічна природа ферменту; хімічна природа субстрату та тип каталізованої реакції, який є специфічним для дії будь- якого ферменту. Отже, всі ферменти поділяють на 6 класів (табл.1.3).
Таблиця 1.3. Характеристика класів ферментів
| Номер класу | Назва класу | Тип каталізованої реакції | Приклади | Коферменти |
| Оксидо-редуктази | Окиснювально-відновні реакції різних типів | Лактатдегідрогеназа, цитохромоксидаза, алкогольдегідрогеназа | НАД+, НАДФ+, ФАД, ФМН, убіхінон, металопорфірини, глутатіон, ліпоєва кислота | |
| Трансферази | Перенесення різних хімічних груп (карбоксильних, метальних, аміно-, сульфогруп від одного субстрату (донора) до іншого (акцептора) | Аспартатамінотрансфераза, аланінамінотрансфераза | ПАЛФ, ПАМФ, КоА, УДФ, ЦДФ, ТГФК, метилкобаламін | |
| Гідролази | Гідроліз – розрив зв’язків у субстратах з приєднанням води | кисла та лужна фосфатази, пепсин, трипсин, ліпаза | - | |
| Ліази | Розщеплення зв'язків у субстратах негідролітичним шляхом, утворення подвійних зв’язків, приєднання хімічних груп при подвійних зв’язках | Дезамінази, дегідратази, альдолаза | ПАЛФ, КоА, ТДФ, дезоксіаденозил-кобаламін | |
| Ізомерази | Ізомерні перетворення в межах однієї молекули | Рацемаза, глюкозо-6-фосфатізомераза, фосфогліцератмутаза | ПАЛФ, дезоксіаденозил-кобаламін, глутатіон | |
| Лігази | Приєднання молекул одна до одної з використанням енергії АТФ або інших високоенергетичних сполук | Аспарагінсинтетаза глутамінсинтетаза, ацетил-КоА-карбоксилаза | УДФ, ЦДФ, ТГФК, карбоксибіотин |
Оксидоредуктази. До класу оксидоредуктазвідносять ферменти, що каталізують окисно-відновні реакції. За тривіальною номенклатурою оксидоредуктази, що відщеплюють атоми водню або електрони від субстрату окиснення і передають їх на будь-який акцептор, крім кисню або пероксиду водню, називаються дегідрогеназами. Субстратами оксидоредуктаз можуть бути спирти, кислоти, альдегіди, кетони, NH2-, NH-, SH-групи, гем та його похідні тощо.
Розрізняють наступні основні оксидоредуктази: аеробні дегідрогенази або оксидази, які каталізують перенесення протонів (електронів) безпосередньо на кисень; анаеробні дегідрогенази - ті, що забезпечують перенесення протонів (електронів) на проміжний субстрат, але не на кисень; цитохроми, які каталізують перенесення тільки електронів. До цього класу відносять також гемвмісні ферменти каталазу і пероксидазу, які каталізують реакції з участю пероксиду водню. Оксидоредуктази, яким властива відновна дія, називають редуктазами.
Цей клас ферментів поділяють на 17 підкласів, він нараховує приблизно 500 ферментів.
Трансферази.До класу трансфераз належать ферменти, що каталізують реакції міжмолекулярного перенесення різних атомів, груп атомів і радикалів: ті, що переносять СН3- групи, називають метилтрансферазами, переносники NH2-груп отримали назву амінотрансфераз, розрізняють трансферази, що каталізують перенесення одновуглецевих, ацильних, глікозильних, альдегідних або кетонних, нуклеотидних залишків, азотистих груп, залишків фосфатної та сульфатної кислот тощо. Наприклад, метил-і формілтрансферази, ацетилтрансферази, фосфаттрансферази тощо. До трансфераз належать також кінази, зокрема протеїнкінази – ферменти, що каталізують фосфорилування субстратів та інших білків за рахунок фосфатного залишку АТФ.
Трансферази беруть участь у реакціях взаємоперетворень різних речовин, знешкодженні природних та чужорідних сполук. Деякі трансферази використовують у діагностиці захворювань, наприклад, аспартатамінотрансферазу - для діагностики інфаркту міокарда, а аланінамінотрансферазу - гострих гепатитів тощо.
Гідролази. До цього класу належить велика група ферментів, які каталізують розщеплення внутрішніх молекулярних зв’язків органічних речовин за участю молекули води. Це естерази – ферменти, що каталізують реакції гідролізу та синтезу складних ефірів; глікозидази, які пришвидшують розрив глікозидних зв’язків; фосфатази й пептидогідролази, які каталізують гідроліз фосфоангідридних і пептидних зв’язків; амідази, які пришвидшують розрив амідних зв’язків тощо.
До гідролаз належать також травні ферменти (ліпази, протеази, глікозидази тощо). Гідролази містяться у лізосомах та інших органоїдах клітин, сприяють розпаду біомакромолекул на прості речовини. Клас гідролаз нараховує приблизно 460 ферментів.
Ліази. До класу ліаз відносять ферменти, які каталізують розрив зв’язків С-О, С-С, С-N тощо, а також зворотні реакції відщеплення різних груп від субстратів негідролітичним шляхом. Ці реакції супроводжуються утворенням подвійного зв’язку або приєднанням додаткової групи до місця розриву подвійного зв’язку.
До цього класу відносять декарбоксилази (декарбоксилування амінокислот та альфа- кетокислот); гідроліази, а за тривіальною номенклатурою – дегідратази (наприклад, карбангідраза розщеплює карбонатну кислоту на СО2 і Н2О), аальдолази – ферменти, що каталізують розрив гексозофосфатів на дві тріози (наприклад, фруктозо-1,6-дифосфат на гліцеральдегід-3-фосфат і діоксіацетонфосфат). Ліази нараховують біля 230 ферментів.
Ізомерази. До класу ізомераз відносять ферменти, які каталізують взаємне перетворення оптичних і геометричних ізомерів. Систематичну назву складають з урахуванням типу реакції:"субстрат-цис-транс-ізомераза". Якщо ізомеризація включає внутрішньомолекулярне перенесення групи, то фермент отримує назву "мутаза".
До цього ж класу відносять рацемази і епімерази, які діють на аміно- і оксикислоти, вуглеводи та їх похідні; внутрішньомолекулярні оксидоредуктази, які каталізують взаємоперетворення альдоз і кетоз; внутрішньомолекулярні трансферази, які переносять ацильні, фосфорильні та інші групи тощо.
Ізомерази – невелика група ферментів (біля 80), вони відіграють важливу роль у відновленні біологічної активності молекул, у переключенні використання метаболітів на різних шляхах обміну.
Лігази (синтетази).До класу лігаз відносять ферменти, які каталізують синтез органічних речовин із двох вихідних молекул з використанням енергії розпаду АТФ (або ГТФ, УТФ). Дія цих ферментів спричинює утворення нових зв’язків. Систематичну назву складають за формою"Х:У лігаза", де Х і У позначають вихідні речовини. Як приклад можна назвати L-глутамат: аміаклігазу (рекомендована скорочена назва "глутамінсинтетаза"), за участю якої із глутамінової кислоти і аміаку в присутності АТФ синтезується глутамін. Іншу назву – синтетази ці ферменти отримали, оскільки вони є каталізаторами біосинтетичних процесів. Прикладом можуть бути: аміноацил-тРНК- синтетаза (каталізує приєднання амінокислоти до молекули тРНК у процесі біосинтезу білків) та ацетил-КоА-синтетаза (каталізує конденсацію ацетатної кислоти і КоА), карбоксилази (каталізують зв’язування СО2 з кетокислотами). Клас лігаз нараховує приблизно 80 ферментів.
1.2.3. Шифр ферментів. Оскільки назва класу вказує на тип хімічної реакції, яку каталізує фермент, то, відповідно, існує шість основних типів ферментативних реакцій. Класи діляться на підкласи, а ці, в свою чергу, на підпідкласи. Кількість підкласів у кожному класі, як і кількість підпідкласів у підкласі, змінюється. Підклас вказує на природу хімічної групи субстрату, що підлягає дії ферменту. Підпідклас ще більше конкретизує дію фермента, уточнює природу зв’язку в субстраті або природу акцептора, що бере участь у реакції. На цій основі складена кодова нумерація (шифри) ферментів та їх систематичні назви.
Шифр ферменту складається з чотирьох розділених крапками чисел: перше число означає клас ферменту, друге і третє числа - підклас та підпідклас відповідно, а четверте число - порядковий номер фермента в його підпідкласі. Спочатку шифру будь-якого ферменту ставиться дві букви - КФ, що означає "класифікація ферментів". Для прикладу розглянемо ліпазу, яка каталізує розщеплення триацилгліцеринів на гліцерин і жирні кислоти. Цей фермент належить до третього класу (гідролаз), першого підкласу ферментів, які діють на складноефірні зв'язки, до першого підпідкласу - каталізаторів гідролітичного розщеплення ефіру карбонових кислот і спиртів. Порядковий номер цього ферменту в підпідкласі - 3. Його шифр – КФ 3.1.1.3.
Лактатдегідрогеназа має шифр КФ 1.1.1.27, тобто належить до першого класу оксидоредуктаз, до першого підкласу (дегідрує СН-ОН-групи) і першого підпідкласу (акцептором водню служить HAД+), а її порядковий номер у підпідкласі 27.
Механізм дії ферментів
Після того, як була встановлена хімічна природа ферментів, підтвердилися припущення англійського хіміка А. Бруна, висловлене ще на початку XX ст., а згодом і вчених В. Анрі, Л. Міхаеліса та М. Ментен про те, що в основі ферментативного каталізу лежить утворення нестійкого проміжного фермент-субстратного комплексу, який згодом розпадається з утворенням продуктів реакції та вивільненням фермента в незміненому вигляді. Ці твердження лягли в основу теорії «жорсткої матриці» Е.Фішера про те, що активний центр фермента комплементарний субстрату, тобто підходить до нього як «ключ до замка». Згодом ця теорія була вдосконалена та доповнена в «гіпотезі індукованої відповідності» Д. Кошлендом, згідно з якою субстрат, взаємодіючи з активним центром фермента, викликає зміну його конформації, що призводить до формування фермент-субстратного комплексу (ЕS), сприятливого для хімічної модифікації субстрату; при цьому молекула субстрату теж змінює свою конформацію, що забезпечує високу ефективність ферментативної реакції.
Отже, базуючись на твердженнях Л. Міхаеліса та М. Ментен, процес ферментативного каталізу умовно можна розділити на три етапи: приєднання молекули субстрату (S) до фермента (Е); утворення проміжного фермент-субстратного комплексу та послідовне його перетворення на один або кілька перехідних (ЕS, ЕSх, ЕSхх) з подальшим утворенням нестабільного комплексу фермент-продукт (ЕР); вивільнення продуктів реакції (Р) та фермента (Е). Ці етапи можна описати наступним рівнянням і відобразити схематично (рис. 1.4):
Рис. 1.4. стадії ферментативного каталізу: Е – фермент, S – субстрат, ЕS – фермент-субстратний комплекс, Р – продукти реакції
Перша стадія – зближення та орієнтація субстрату відносно активного центра фермента з метою утворення фермент-субстратного комплексу – відбувається внаслідок зв’язування субстрату з активним центром ферменту водневими, електростатичними та гідрофобними взаємодіями, а в низці випадків – ковалентними та координаційними зв’язками. На цьому етапі має велике значення просторова конфігурація білкової молекули фермента, в якій жорсткі ділянки чергуються з еластичними лінійними відрізками, що надає молекулі фермента можливість динамічно змінюватися: приєднання субстрату до фермента змінює структуру активного центра останнього, його функціональні групи розміщуються так, що реакція може відбуватися. Утворення фемент-субстратного комплексу відбувається дуже швидко, тривалість цієї стадії залежить від концентрації субстрату, швидкості його дифузії до активного центра фермента. енергія активації при цьому змінюється несуттєво.
Друга стадія – перетворення первинного фермент-субстратного комплексу на один або кілька проміжних – характеризується послабленням зв'язків у субстраті, їх розривом або утворенням нових у результаті дії каталітичних груп фермента; формується молекула продукта. За рахунок утворення перехідних комплексів знижується енергія активації субстрату, що зумовлює зростання швидкості його перетворення. Ця стадія відбувається найповільніше та лімітує швидкість усього каталізу.
Третя стадія – відокремлення від комплексу продуктів реакції, які утворилися в процесі ферментативної реакції та перехід фермента у початковий стан. Тривалість цієї стадії наближається до першої та визначається швидкістю дифузії продукту в середовище.
Як уже зазначалося, ферменти прискорюють біохімічні реакції за рахунок зниження енергії активації. Енергія активації – це енергія, необхідна для переходу молекул 1 моля речовини в активний (перехідний) стан при певній температурі. Іншими словами, це енергія, необхідна для запуску хімічної реакції. Фермент знижує енергію активації шляхом збільшення числа активованих молекул, які стають більш реакційно здатними на нижчому енергетичному рівні. Наприклад, при розщепленні пероксиду водню на воду та кисень енергія активації для досягнення перехідного (активного) стану дорівнює 18 ккал/моль. За участі платини енергія активації знижується до 12 ккал/моль, а під впливом фермента каталази – до 5 ккал/моль.
З рисунка 1.5 видно, що для досягнення збудженого стану вихідних речовин необхідно затратити найбільше енергії активації (рис. 1.5, 1); менше енергії вимагає реакція за участі небіологічного каталізатора (рис. 1.5, 2); і найменше енергії активації затрачається на реакцію за участі біологічного каталізатора (рис. 1.5, 3). Слід відмітити, що як каталізована ферментом, так і не каталізована ним реакція не залежно від її шляху має однакову величину стандартної зміни вільної енергії (ΔG).
Активний центр на всіх етапах ферментативного каталізу відіграє роль комплексного молекулярного механізму, який використовує різні хімічні перетворення, які сприяють перетворенню субстрату на продукт. на молекулярному рівні властивість контактних ділянок активного центра фермента специфічно зв'язувати субстрат і забезпечувати в такий спосіб їх взаємну орієнтацію та зближення так, щоб це було вигідно для дії каталітичних груп, називають ефектом зближення та орієнтації реагентів. Таке впорядковане розташування знижує енергію активації, що, своєю чергою, визначає каталітичну ефективність ферментів. Активний центр фермента також сприяє дестабілізації міжатомних зв’язків у молекулі субстрату, що полегшує перебіг хімічної реакції та утворення продуктів. Цю властивість активного центра називають ефектом деформації субстрату. Після зв'язування з активним центром молекула субстрату ніби розтягується. Місце деформації легше атакується, наприклад, молекулами води. Чим більша довжина міжатомного зв'язку в молекулі субстрату, тим менша енергія його розриву (знижується енгергія активації).
У залежності від ролі функціональних груп активного центра фермента розрізняють кислотно-основний і ковалентний каталіз.
Кислотно-основний каталіз характеризується участю в ферментативній реакції кислотних і/або основних груп. Так, радикали таких амінокислот як цис, тир, сер, ліз, глу, асп і особливо гіс можуть виступати як у ролі донорів протонів, так і їх акцепторів, надаючи ферментам властивостей універсальних каталізаторів, на відміну від небілкових каталізаторів, які проявляють або лише кислі, або лужні властивості. Прикладом такого каталізу може бути фермент алкогольдегідрогеназа печінки, яка містить іон Zn2+ та НАД+ у якості кофермента і каталізує реакцію окиснення етилового спирту: позитивно заряджений атом цинку сприяє від’єднанню протона від спиртової групи етанолу з утворенням негативно зарядженого атома кисню; негативний заряд перерозподіляється між атомом кисню та сусіднім атомом гідрогену, який потім у вигляді гідрит-іона переноситься на четвертий вуглецевий атом нікотинаміду з утворенням відновленої форми НАДН і оцтового альдегіду.
Ковалентний каталіз базується на утворенні ковалентних зв’язків між нуклеофільними (негативно зарядженими) або електрофільними (позитивно зарядженими) групами активного центра фермента та субстратом. Прикладом цього може слугувати дія серинових протеїназ (трипсину, хімотрипсину, тромбіну), до складу активного центра яких входить гідроксильна група серину та імідазольна група гістидину. Остання відтягує на себе протон від ОН-групи серину, внаслідок чого з’являється надлишкова електронна щільність на атомі кисню серину та полегшується нуклеофільна атака гідроксилом серину СО-групи субстрату. При цьому ацильний радикал від субстрату переноситься на сериновий залишок ферменту. Тоді атом гістидину здійснює нуклеофільну атаку на кисень ацильного похідного серину, внаслідок чого ацильна група відщеплюється і переноситься на молекулу води.
Максимальна активність ферменту спостерігається при оптимальних умовах перебігу реакції і зумовлена оптимальною конформацією молекули ферменту в цілому та активного центра зокрема. Тому навіть невеликі зміни умов, що впливають на зв'язування субстрату або конформацію третинної структури білка, будуть змінювати швидкість ферментативної реакції.