Материал: Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

8.3. Классификация и номенклатура ферментов

Рис. 8.3. Основные классы и подклассы ферментов

123

Глава 8. Ферменты

роксипируватредуктаза и др.). Коферментами оксидоредуктаз могут быть НАД+, НАДФ+, ФАД, ФМН. К классу оксидоредуктаз принадлежат и оксидазы, в реакциях которых участвует кислород (альдегидоксидаза, ксантиноксидаза, пируватоксидаза, оксалатоксидаза, оксидаза L-аминокислот, аминооксидаза и др.).

2 класс. Трансферазы — это ферменты, катализирующие реакции переноса различных групп (метильных, гидроксиметильных, формильных, карбоксильных, карбамоильных, альдегидных, ацильных, алкильных, аминных и др.) от одного субстрата (донор) к другому (акцептор). В реакциях, катализируемых трансферазами, принимают участие S-аденозил-L-метио- нин, S-метилметионин, пиридоксальфосфат, биотин, тиаминпирофосфат, 2-аминоаденозин, SH-КoA. Название фермента формируется по принципу: акцептор-группа-трансфераза или донор-группа-трансфераза (метио- нин-метил-трансфераза, тиол-метил-трансфераза, серин-гидроксиметил- трансфераза, глутамат-формил-трансфераза, холин-ацил-трансфераза, транскетолаза, трансальдолаза и др.). К этому классу принадлежат ферменты, переносящие гликозильные группы (фосфорилаза, амилосахараза, декстрансахараза и др.). Трансферазы представлены 8 подклассами.

3 класс. Гидролазы — это ферменты, катализирующие разрыв связи в молекуле субстрата, осуществляемый с участием молекулы воды. В название фермента включается слово «гидролаза» (S-аденозилметионин-гидролаза, формил-КоА-гидролаза, ацилфосфоаденозин-гидролаза, ацетил-КоА-гид- ролаза и др.) или название фермента формируется из названия субстрата присоединением суффикса «-аза» (целлюлаза, фосфолипаза, ацетилэстераза, тиаминаза, глутатионтиолэстераза и др.), или ферменты имеют тривиальное название (химотрипсин, пепсин, химозин, трипсин, субтилизин, тромбин, плазмин и др). Гидролазы подразделяются на 11 подклассов.

4 класс. Лиазы — это ферменты, катализирующие реакции разрыва С–С, С–О, С–N и других связей в субстрате без присоединения молекулы воды или окисления. Лиазы отличаются от других ферментов тем, что в катализируемых реакциях в одном направлении участвуют два субстрата, а в обратной реакции — только один. В названии фермента присутствуют слова «декарбоксилаза», или «альдолаза», или «лиаза» (пируват-декарбоксилаза, оксалат-декарбоксилаза, оксалоацетат-декарбоксилаза, треонин-альдолаза, фенилсерин-альдолаза, изоцитрат-лиаза, аланин-лиаза, АТФ-цитрат-ли- аза и др.), а для ферментов, катализирующих реакции отщепления воды от субстрата, — «дегидратаза» (карбонат-дегидратаза, цитрат-дегидратаза, серин-дегидратаза и др.). В тех случаях, когда обнаружена только обратная реакция или это направление в реакции более существенно, в названии ферментов присутствует слово «синтаза» (малат-синтаза, 2-изопропилма- лат-синтаза, цитрат-синтаза, гидроксиметилглутарил-КоА-синтаза и др.). Лиазы подразделяются на 6 подклассов.

124

8.4. Кинетика ферментативных реакций

5 класс. Изомеразы — это ферменты, катализирующие внутримолекулярные превращения (рацемизация или эпимеризация). В названии фермента присутствуют слова «рацемаза» (аланин-рацемаза, метионин-рацемаза, гидроксипролин-рацемаза, лактат-рацемаза и др.), или «эпимераза» (альдо- за-1-эпимераза, рибулозофосфат-4-эпимераза, УДФ-глюкуронат-4-эпиме- раза и др.), или «изомераза» (рибозофосфат-изомераза, ксилозоизомераза, глюкозаминфосфат-изомераза и др.), «таутомераза» (фенилпируват-тау- томераза, оксалоацетат-таутомераза), «мутаза» (фосфоглицерат-мутаза, метиласпартат-мутаза и др.). Подразделяются на 5 подклассов.

6 класс. Лигазы, или синтетазы, — это ферменты, катализирующие реакции соединения двух и более молекул, используя АТФ. В названии фермента присутствуют слова «синтетаза» (тирозил-тРНК-синтетаза, треонин-тРНК- синтетаза, ацетил-КоА-синтетаза, аспарагинсинтетаза, карбамоилфосфатсинтетаза, аргениносукцинат-синтетаза и др.) или «карбоксилаза» (пируваткарбоксилаза, ацетил-КоА-карбоксилаза, пропионил-КоА-карбоксилаза и др.). Подразделяются на 5 подклассов.

Ферменты, входящие в один класс, в соответствии с особенностями катализируемых реакций группируются в подкласс и подподкласс. При этом приобретают систематическое название и кодовую нумерацию (шифр). Первое число шифра означает класс, второе и третье — подкласс и подподкласс соответственно, а четвертое число — порядковый номер фермента в подподклассе. Например, алкогольдегидрогеназа имеет шифр (КФ 1.1.1.1), значит она относится к классу оксидоредуктаз (КФ 1.), подклассу ферментов, действующих на СН–ОН группу доноров (КФ 1.1.), к подподклассу ферментов, акцепторами которых служат НАД и НАДФ (КФ 1.1.1.), с порядковым номером в подподклассе — 1; глюкозо-6-фос- фатаза (КФ 3.1.3.9) относится к классу гидролаз (КФ 3.), подклассу ферментов, действующих на сложноэфирные связи (КФ 3.1.), к подподклассу ферментов, гидролизующих моноэфиры фосфорной кислоты (КФ 3.1.3.), с порядковым номером фермента в подподклассе — 9; пируваткарбоксилаза (КФ 6.4.1.1) относится к классу лигаз (синтетаз) (КФ 6.), подклассу ферментов, образующих С–С-связи (КФ 6.4.), к подподклассу ферментов, присоединяющих СО2 к различным соединениям (КФ 6.4.1.), с порядковым номером фермента в подподклассе — 1 и т. д.

8.4. КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ

Химические реакции, катализируемые ферментами, протекают через образование фермент-субстратного комплекса. При этом график изменения начальной скорости (v0) от концентрации субстрата принимает вид гиперболической зависимости (рис. 8.4).

125

Глава 8. Ферменты

Рис. 8.4. График зависимости начальной скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата в координатах Михаэлиса — Ментен

На кинетической кривой можно выделить три участка. На начальном этапе (участок I), который проявляется при инициировании каталитического процесса, скорость реакции возрастает пропорционально концентрации субстрата (So). При этом должны соблюдаться условия стационарности, т. е. концентрация фермент-субстратного комплекса остается постоянной (стационарной) в ходе ферментативной реакции. По мере возрастания концентрации субстрата отмечаются отклонения от линейности (участок II). Дальнейшее увеличение концентрации субстрата приводит к тому, что скорость реакции становится не зависящей от концентрации субстрата (участок III), т. е. достигается состояние насыщения фермента субстратом. Однако в этих условиях начальная скорость зависит от концентрации фермента. Наблюдаемые изменения можно описать следующей простейшей схемой:

Здесь E — фермент, S — субстрат, P — продукт, ES — фермент-субстратный комплекс, k1, k2, k–1 — константы скоростей.

При этом Eo = E + [ES] — общая концентрация фермента, а So = S + + [ES] — общая концентрация субстрата. Реакция протекает в условиях, когда концентрация субстрата во много раз превышает концентрацию фермента (So >> Eo). То есть число молекул субстрата, связанных с ферментом, пренебрежительно мало по сравнению с общим числом молекул субстрата. Таким образом, S ≈ So.

Протекание ферментативного процесса определяется соотношением показателей скоростей образования и распада фермент-субстратного комплекса. При этом скорость образования [ES] выражается уравнением второго порядка

v1 = k1[E][S].

126

8.4.Кинетика ферментативных реакций

Аскорость распада [ES] можно записать в виде уравнений первого порядка

v2 = k–1[ES]; v0 = k2[ES].

Лимитирующей стадией ферментативного процесса, является стадия продуктивного распада фермент-субстратного комплекса

–d [ES]/dt = k2[ES].

В условиях стационарности скорость образования фермент-субстрат- ного комплекса равна скорости его распада

k1[E][S] = k–1[ES] + k2[ES].

Решая это уравнение, можно найти выражение для концентрации фер- мент-субстратного комплекса в стационарном состоянии

[ES] = EоSо/[(k–1 + k2)/k1 + Sо],

где комбинация констант (k–1 + k2)/k1 есть константа Михаэлиса (Km).

Таким образом, начальная скорость (v0) ферментативной реакции при k2 = kкат определяется следующим уравнением

v0 = kкатEоSо/(Km + Sо).

Полученное уравнение называется уравнением Михаэлиса — Ментен. При этом произведение kкатEo называется максимальной скоростью ферментативной реакции (Vmах).

v0 = VmахSо /(Km + Sо).

В случае, если k2 << k–1, то

Km ≈ k–1/k1 ≈ Ks,

где Ks — константа диссоциации фермент-субстратного комплекса.

Значение Ks можно определить, если принять концентрацию субстрата, при которой начальная скорость ферментативной реакции (v0) составляет половину от максимальной скорости (Vmах), то есть

v0 = Vmах/2 = VmахSо/(Km + Sо).

Решая это уравнение, можно получить:

Vmах (Km + So) = 2Vmах So; Km = So.

Таким образом, константа Михаэлиса есть величина, численно равная концентрации субстрата при скорости ферментативной реакции, составляющей половину максимальной.

127