Основы биохимии - А. А. Анисимов 1986

Ферменты (энзимы)
Классификация и номенклатура ферментов

Согласно классификации, разработанной Международной комиссией по ферментам и принятой в 1961 г., все ферменты разделяют на шесть классов в соответствии с характером катализируемых ими реакций. Классы делятся на подклассы¹, а последние — на подподклассы или группы, внутри которых ферментам присвоен порядковый номер. Каждый фермент имеет свой индивидуальный четырехзначный шифр. Например, шифр фермента глюкозооксидази КФ. 1.1.3.4, т. е. она относится к первому классу, первому подклассу внутри этого класса и к третьему подподклассу, где имеет порядковый номер 4. Деление на классы осуществляется следующим образом.

¹ В этом разделе рассматриваются подклассы наиболее часто встречающихся ферментов.

1. Оксидоредуктазы. Катализируют окислительно-восстановительные реакции.

2. Трансферазы. Катализируют реакции переноса группировок с одного соединения на другое: XR + Z ⇄ X + RZ.

3. Гидролазы. Ускоряют гидролитическое расщепление веществ: XY + H₂О = XОH + YH.

4. Лиазы. Катализируют реакции негидролитического расщепления с образованием двойных связей или реакции присоединения по двойным связям¹.

5. Изомеразы. Катализируют реакции изомеризации соединений.

6. Лигазы (синтетазы). Ускоряют реакции синтеза с использованием энергии макроэргических соединений.

Рациональные или систематические, названия ферментов, предложенные Международной комиссией, включают названия субстратов и характер катализируемых реакций. Рациональные названия довольно громоздки, поэтому за ферментами сохраняются и рабочие (тривиальные) названия. Например, фермент, катализирующий реакцию: АТФ + гексоза = гексозо-6-фосфат+АДФ, имеет рабочее название гексокиназа, а рациональное АТФ: D-гексоза 6-фосфотрансфераза (названия субстратов в двухсубстратных реакциях указывают через двоеточие). Если фермент катализирует реакцию, при которой одновременно идут два превращения, то в наименовании фермента, второе превращение дается в скобках. Реакцию D-аспартат + Н₂О + О₂ = оксалоацетат + NН₃ + Н₂О катализирует D-аспартат: кислород оксидоредуктаза (дезаминирующая)².

1-й класс. Оксидоредуктазы. Систематическое название ферментов этого класса составляют по схеме: донор водорода : акцептор оксидоредуктаза. Оксидоредуктазы, катализирующие перенос водорода, имеют тривиальное название дегидрогеназы: R'Н₂+ R" = R''H₂ + R'. В тех случаях, когда донор водорода точно не установлен, используют термин редуктаза. Если акцептором водорода служит O₂, то ферменты, катализирующие эти реакции, имеют тривиальное название оксидазы. Реакции прямого присоединения кислорода к субстрату катализируются оксигеназами. Термин пероксидаза относится к тем ферментам, которые используют Н_2O2 в качестве акцептора водорода. Оксидоредуктазы подразделяют на 17 подклассов главным образом в зависимости от того, какие группировки подвергаются окислению, т. е. в зависимости от природы доноров водорода. В основу деления на подклассы, или группы, положен химизм акцептора водорода.

¹ Там, где значительно более важной (или единственно обнаруженной) является обратная реакция, в названии может применяться термин синтаза (но не синтетаза). Термин синтетаза рекомендуется только для ферментов шестого класса.

² В метаболических процессах органические кислоты и аминокислоты обычно участвуют в форме солей или в диссоциированном состоянии, в виде анионов, поэтому при описании реакции нередко указывают названия анионов, а не самих кислот. Например: уксусная кислота — ацетат, пировиноградная кислота — пируват, янтарная кислота — сукцинат, аспарагиновая кислота — аспартат. В некоторых случаях названия анионов производятся от латинских или греческих названий кислот (ацетат, сукцинат).

Подкласс 1.1 включает ферменты, действующие на СН—ОН-группу доноров. Примером фермента, входящего в этот подкласс» является алкогольдегидрогеназа. Сюда же относятся ЛДГ, МДГ, фосфоглюконатдегидрогеназа (декарбоксилирующая) и другие.

Подкласс 1.2. содержит ферменты, окисляющие альдегидную или кетонную группу доноров.

Подкласс 1.4 — ферменты действуют на СН—NН_2-группу доноров. В этот подкласс входят ферменты, катализирующие окислительное дезаминирование аминокислот.

Подкласс 1.6 — ферменты окисляют восстановленные НАД и НАДФ, в основном представлены флавопротеинами.

Подкласс 1.10 содержит ферменты, действующие на дифенолы и родственные им соединения в качестве доноров. К этому подклассу принадлежит, в частности, аскорбатоксидаза.

Подкласс 1.11 включает ферменты, действующие на пероксид водорода в качестве акцептора (каталаза, пероксидаза).

Подкласс 1.13 содержит ферменты, действующие на отдельные доноры с присоединением к ним кислорода (оксигеназы).

2-й класс. Трансферазы. Систематическое название ферментов этого класса образуется следующим образом: донор : акцептор — транспортируемая группа — трансфераза. Часто используют и цифровую приставку для указания положения, к которому присоединяется переносимая группа. Деление на подклассы идет по химизму переносимых групп, всего выделено восемь подклассов.

2.1. Переносят одноуглеродные остатки: метильные, оксиметильные, формильные, карбоксильные и др. Пример: метилтрансферазы, катализирующие перенос метальных групп.

2.2. Переносят альдегидные и кетонные остатки. Сюда относятся ферменты: транскетолаза (переносит 2-углеродный фрагмент) и трансальдолаза (переносит 3-углеродный фрагмент). Эти ферменты участвуют в пентозном цикле дыхания, в фотосинтетическом цикле Кальвина.

2.3. Ацилтрансферазы — переносчики кислотных радикалов. В этот подкласс входит большое число ферментов — переносчиков ацетильных остатков от ацетил-КоА, такие ферменты имеют тривиальное название ацетилтрансферазы, они участвуют, например, в синтезе ацетилглюкозамина, ацетилхолина.

2.4. Гликозилтрансферазы — переносчики гликозильных остатков, например, ферменты, участвующие в синтезе полисахаридов и имеющие в качестве небелковой части нуклеозиддифосфатсахар (НДФС). Фосфоролитическое расщепление нуклеозидов также идет при участии этих ферментов.

2.6. Переносят группы, содержащие азот. К этому подклассу относятся важнейшие ферменты азотного обмена — аминотрансферазы.

2.7. Переносят группы, содержащие фосфор (фосфотрансферазы). Эти ферменты переносят фосфатный остаток от АТФ на различные акцепторы, пирофосфатный остаток (пирофосфотрансферазы), а также более сложные группировки, содержащие фосфатный остаток (нуклеотидилтрансферазы и др.).

2.8. Переносят группы, содержащие серу. В этот подкласс входят» в частности, КоА-трансферазы.

3-й класс. Гидролазы. Систематическое название ферментов класса гидролаз составляется из названия субстрата и через тире слова гидролиза. Отщепляемые группы могут быть указаны после названия субстрата, например аденозин — аминогидролаза. Класс гидролаз делится на одиннадцать подклассов.

3.1. Гидролизуют сложноэфирные связи. Примеры: эстеразы, фосфатазы, нуклеазы.

3.2. Гидролизуют гликозилъные связи. Представителями этого подкласса являются амилазы, хитиназа, полигалактуроназа, нейраминидаза, а-глюкозидаза, ß-глюкозидаза, ß-фруктофуранозидаза (инвертаза).

3.4. Гидролизуют пептидные связи (пептид-гидролазы). Систематической номенклатуры для ферментов данного подкласса нет, так как специфичность этих ферментов перекрывается. В этом подклассе различают ряд подподклассов ферментов, в частности отщепляющие N-концевые аминокислоты (аминопептидазы), С-концевые аминокислоты (карбоксипептидазы), гидролизующие дипептиды (дипептидазы), несколько подподклассов пептид-гидролаз, расщепляющих белки (пептидил-пептидгидролазы, протеиназы).

Протеиназы являются эндопептидазами и гидролизуют белки до пептидов разной величины. В зависимости от строения активного центра выделяют следующие подклассы протеиназ.

3.4.21. Сериновые протеиназы — содержат в активном центре серин необходимый для катализа. Сюда относятся химотрипсин, трипсин — протеиназы желудочно-кишечного тракта, тромбин, плазмин — протеиназы крови, субтилизин — протеолитический фермент из Вас. subtilis.

3.4.22. Тиоловые протеиназы — содержат в активном центре цистеин. Это, в основном, растительные протеиназы, например папаин из млечного сока дынного дерева. Некоторые тканевые протеиназы (катепсин В и др.) относятся к этому же типу строения.

3.4.23. Кислые протеиназы — содержат в активном центре две карбоксильные группы, оптимум pH их действия от 1 до 5. К этому типу принадлежат пепсин, реннин (химозин), катепсин D, пенициллопепсин.

3.4.24. Металлопротеиназы.

3.4.99. Протеиназы с неизвестным механизмом катализа.

3.5. Гидролизуют С—N-связи, отличные от пептидных. В частности, сюда относятся ферменты, расщепляющие амидные связи: аспарагиназа, глутаминаза, уреаза.

3.6. Гидролизуют кислотно-ангидридные связи. В этот подкласс входят неорганическая пирофосфатаза и АТФазы.

3.7. Гидролизуют С—С-связи. Например, оксалоацетаза, ускоряющая гидролитическое расщепление оксалоацетата до оксалата и ацетата.

4-й класс. Лиазы. Систематические названия ферментов этого класса образуют из названия субстрата, затем указывают отщепляемую группу и через дефис добавляют слово лиаза. Класс делят на семь подкласов.

4.1. С—С-Лиазы. К этому подклассу принадлежит фруктозо-дифосфат-альдолаза» оксалоацетатдекарбоксилаза, аспартат — 4-декарбоксилаза.

4.2. С—О-Лиазы. Сюда относятся карбоангидраза, фумарат-гидратаза.

4.3. С—N-Лиазы. Например, аспартат — аммиак-лиаза, катализирующая расщепление аспартата до фумарата и аммиака.

5-й класс. Изомеразы. Систематическое название ферментов этого класса образуют по схеме: субстрат-тип реакции изомеризации-изомераза. При внутримолекулярном переносе групп ферменты имеют тривальные названия мутазы, а в реакциях инверсии групп у хиральных центров — рацемазы и эпимеразы.

В 5-м классе выделено шесть подклассов.

5.1. Рацемазы и эпимеразы.

5.2. Цис-транс-ивомеразы.

5.3. Внутримолекулярные оксидоредуктазы. Эти ферменты катализируют взаимопревращение альдоз и кетоз, кетонных и енольных групп, перемещают С = С-связи. Например, в реакции D-глицеральдегид-3-фосфат⇄дигидроксиацетонфосфат, которая ускоряется D-глицеральдегид-3-фосфат кетол-изомеразой у первого углеродного атома глицеральдегидфосфата (ГАФ) идет восстановление, у второго — окисление.

5.4. Внутримолекулярные трансферазы. Примером фермента этого подкласса является D-фосфоглицерат 2,3-фосфомутаза, катализирующая превращение 2-фосфо-О-глицерата в 3-фосфо-D-глицерат.

6-й класс. Лигазы (синтетазы). Систематическое название образуется по схеме: А : В лигаза (образующая АДФ), где А и В — соединяющиеся молекулы, в скобках указывается продукт расщепления нуклеозидтрифосфата, который использовался в данной реакции как источник энергии. Весь класс делится на пять подклассов в зависимости от того, между какими атомами образуются связи.

6.1. Образуют С—О-связи. Такой тип связи возникает при действии аминоацил-тРНК-синтетаз, активирующих аминокислоты и передающих их на тРНК.

6.2. Образуют С—S-связи. Ферменты этого подкласса катализируют присоединение различных кислотных остатков к КоА.

6.3. Образуют С—N-связи. Эти ферменты участвуют, например, в синтезе различных амидов.

6.4. Образуют С—С-связи. Сюда относятся карбоксилазы — биотинсодержащие ферменты.