Классификация ферментов

По рекомендации Международного биохимического союза ферменты разделяют на 6 классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы.

Класс оксидоредуктаз включает ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции (каталаза, алкогольдегидрогеназа). Он подразделяется на 14 подклассов в зависимости от природы той группы в молекуле субстрата, которая подвергается окислению (спиртовая, альдегидная, кетонная и т.д.).

Класс трансфераз объединяет ферменты, катализирующие реакции переноса химических групп с одной молекулы субстрата на другую, и подразделяется на 8 подклассов в зависимости от природы переносимых групп, которыми могут быть гликозидные остатки, азот- или серосодержащие группы и т.д. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу с молекулы АТФ.

К гидролазам принадлежат ферменты, катализирующие гидролитическое расщепление различных соединений (эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза). Они подразделяются на 9 подклассов в зависимости от типа гидролизуемой связи – сложноэфирной, пептидной, гликозидной и т.д.

Лиазы – ферменты, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов или, наоборот, присоединяющие группы к двойным связям. У лиаз 5 подклассов, различающихся по типу подвергающейся разрыву связи (углерод – углерод, углерод – кислород и т.д.).

Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата, подразделяются на 5 подклассов в зависимости от типа катализируемой реакции.

Лигазами (синтетазами) называются ферменты, катализирующие образование химических связей между субстратами за счет гидролиза АТФ (ДНК-полимераза и др.).

↑Структура, специфичность и механизм действия ферментов

Активность ферментов определяется их структурой. Как и все белки, ферменты синтезируются в виде линейной цепочки аминокислот. Аминокислотная последовательность определяет первичную структуру молекулы. Фрагменты аминокислотных последовательностей (полипептидные цепи) могут сворачиваться определенным образом (-спирали, -структуры), определяя вторичную структуру фермента. Совокупность стандартных элементов вторичных структур и специфически уложенных участков полипептидной цепи, определенным образом расположенных в пространстве, образует третичную структуру, определяющую биологические свойства ферментов. Третичная структура уникальна для каждого фермента, однако у однотипных ферментов, даже сильно отличающихся по первичной структуре, пространственное расположение цепей может быть сходным (напр., химотрипсины и субтилизины). Часто в третичной структуре можно выделить отдельные компактные части (домены), соединенные участками полипептидной цепи. Организация в пространстве нескольких субъединиц (молекул) определяет четвертичную структуру ферментов.

На поверхности или внутри белковой глобулы фермента находится относительно небольшой участок, называемый активным центром. Он представляет собой совокупность функциональных групп аминокислотных остатков, непосредственно взаимодействующих с субстратом. В активный центр фермента, кроме функциональных групп аминокислот, могут входить небелковые составляющие - коферменты (например, ионы металлов и др.). Такой комплекс называют холоферментом, а его белковую часть - апоферментом. Аминокислотные остатки, входящие в активный центр, относятся к наиболее консервативным в данной группе ферментов. В активном центре можно выделить субстрат-связывающий участок и собственно каталитический участок.

Действие ферментов, в отличие от неорганических катализаторов, строго специфично и зависит от строения субстрата, на который фермент действует. В 1890 г. Э. Фишер предположил, что специфичность ферментов определяется точным соответствием формы фермента и субстрата. Такое предположение называется моделью «ключ-замок». Фермент соединяется с субстратом с образованием короткоживущего фермент-субстратного комплекса. В 1958 г. Д. Кошланд предложил модификацию модели «ключ-замок». Ферменты, в основном, не жесткие, а гибкие молекулы. Активный центр фермента может изменить конформацию после связывания субстрата. Боковые группы аминокислот активного центра принимают такое положение, которое позволяет ферменту выполнить свою каталитическую функцию. В некоторых случаях молекула субстрата также меняет конформацию после связывания в активном центре. В отличие от модели «ключ-замок», модель индуцированного соответствия объясняет не только специфичность ферментов, но и стабилизацию переходного состояния. Эта модель получила название «рука-перчатка». Стереохимическая специфичность ферментов теснейшим образом связана с одной из основных особенностей живых организмов – их способностью к синтезу оптически активных органических соединений.

Действие ферментов в организме осуществляется путём регуляции их синтеза и активности. Свойственный данному организму набор ферментов определяется его генетической природой. Однако он может изменяться под влиянием различных внутренних и внешних факторов – действия ионизирующей радиации, состава окружающей среды, условий питания и т.д., что может приводить к возникновению различных заболеваний (например, алкаптонурия). При этом наследственном заболевании у больных утеряна способность к синтезу двух ферментов, катализирующих окисление гомогентизиновой кислоты, образующейся в организме в результате превращений аминокислоты тирозина. Связь между ферментами и наследственными болезнями обмена веществ была впервые установлена А. Гэрродом в 1910-е гг. В результате мутации в гене, кодирующем определенный фермент, может измениться аминокислотная последовательность фермента. При этом в результате большинства мутаций его каталитическая активность снижается или полностью пропадает. Если организм получает два таких мутантных гена (по одному от каждого из родителей), в организме перестает идти химическая реакция, которую катализирует данный фермент. Например, появление альбиносов связано с прекращением выработки фермента тирозиназы, отвечающего за одну из стадий синтеза темного пигмента меланина. Фенилкетонурия связана с пониженной или отсутствующей активностью фермента фенилаланин-4-гидроксилазы в печени. В настоящее время известны сотни наследственных заболеваний, связанные с дефектами ферментов. Разработаны методы лечения и профилактики многих из таких болезней.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: