3.4.21. Сериновые протеиназы

К сериновым протеиназам относятся химотрипсин, трипсин, эластаза, плазмин, факторы свертывания крови IXa и Xia и др.

3.4.23. Карбокси-(кислые) протеиназы

К карбоксипротеиназам относятся пепсины типов А, В и С.

4-й класс: лиазы – катализируют все реакции не­гидролитического расщепления химических связей, а также образования но­вых связей (двойных), не требующих энергии гид­ролиза АТР. Например, ферменты, катализирующие разрыв связи с выделением углекислого газа, получили название декарбоксилаз, а ферменты осуществляющие удаление воды – дегидратаз.

R–COOH → RH + СО₂ (декарбоксилаза)

R–CHOH–CH₂–COOH → RCH=СН–СООН + Н₂О (дегидратаза)

В случае каталитического присоединения СО₂ и Н₂О ферменты называют карбоксилазами и гидратазами, соответственно.

4.1.2. Альдегид-лиазы

4.1.2.7. Кетозо-1-фосфат-альдолаза [альдолаза]

Фруктозо-1-фосфат → Дигидроксиацетонфосфат + Глицеральдегид

4.2. Углерод-кислород лиазы

4.2.1.2. L-Малат-гидролиаза [фумараза]

L-Малат → Фумарат + Н₂О.

5-й класс: изомеразы – катализируют реакции вза­имопревращения оптическиактивных, геометрических и позиционных изомеров. Примером служит фермент, катализирующий вторую реакцию гликолитического пути расщепления глюкозы - глюкозо-6-фосфатизомераза:

Глюкозо-6-фосфат → Фруктозо-6-фосфат

5.2. Цис-транс-изомеразы

5.2.1.3. все-транс-Ретиналь 11-цис-транс-изомераза [ретинальизоме-раза]

все-транс-Ретиналь → 11-цис-Ретиналь

5.3. Ферменты, катализирующие взаимопревращение альдоз и кетоз

5.3.1.1. D-Глицеральдегид-3-фосфаткетол-изомераза [триозофосфат-изомераза]

D-Глицеральдегид-3-фосфат → Дигидроксиацетонфосфат.

6-й класс: лигазы – (от лат. лигаре - связывать) катализируют реакции соединения более простых молекул в сложные, сопряженные с распадом АТР. В названии этих ферментов присутствует название продукта реакции с добавлением слова – синтетаза. Например, аминоацил–т-РНКсинтетазы обеспечивают энергозависимую активацию аминокислот с одновременным присоединением последних к молекулам транспортных РНК:

Аминокислота + т-РНК + АТР → Аминоацил-т-РНК + АDР

6.3. Ферменты, катализирующие образование связей с–n

6.3.1.2. L-Глутамат: аммиак лигаза (ADP) [глутаминсинтетаза]

АТР + L-Глутамат + NH₄⁺ → ADP + Ортофосфат + L-Глутамин

6.4. Ферменты, катализирующие образование связей с–с

6.4.1.2. Ацетил-СоА: СО₂ лигаза (ADP) [ацетил-СоА-карбоксилаза]

АТР + Ацетил-СоА + СО₂ → ADP + P_i + Малонил-СоА

Коферменты

Многие ферменты оказывают каталитическое действие на субстраты только в присутствии специфических термостабильных низкомолекулярных органических соединений – коферментов. В таких случаях фермент представляет собой сложный белок, называемый холоферментом (каталитически активный комплекс), который состоит из апофермента (белковая часть) и связанного с ним кофермента. Кофермент может быть связан с апоферментом ковалентными или нековалентными связями. В первом случае он носит название простетической группы. К числу реакций, требующих присутствия коферментов, относятся окислительно-восстановительные реакции, реакции переноса групп и изомеризации, а так же реакции конденсации (в соответствии с системой IUB эти ферменты относятся к классам 1, 2, 5, 6). Реакции расщепления, например, реакции гидролиза, катализируемые пищеварительными ферментами, протекают в отсутствие коферментов (классы 3 и 4).

Коферменты - вторые субстраты

Коферменты можно рассматривать как вторые субстраты или косубстраты по двум причинам. Во-первых, в ходе реакции коферменты претерпевают химические изменения, в точности противоположные изменениям, которые происходят в субстрате. Например, в окислительно-восстановительных дегидрогеназных реакциях молекула субстрата окисляется, а молекула кофермента восстанавливается.

В реакциях переаминирования аминокислот кофермент трансаминаз – пиридоксальфосфат выступает в роли второго субстрата в двух сочетанных реакциях, а также в роли переносчика аминогруппы между различными -амино- и -кетокислотами.

Вторая причина, по которой кофермент можно считать равноправным участником реакции, заключается в том, что его участие может иметь фундаментальное физиологические значение. Например, работа мышцы в анаэробных условиях сопровождается превращением пирувата в лактат. Но в этом случае важны совсем не лактат и не пируват: назначением этой реакции является превращение накапливающегося NADH в NAD⁺. Дело в том, что в отсутствие NAD⁺ гликолиз продолжаться не может и анаэробный синтез АТР прекращается. Восстановление же пирувата до лактата в анаэробных условиях обеспечивает окисление NADH в NAD⁺, который необходим для гликолитической генерации АТР.

Биохимические реакции переноса групп между двумя субстратами можно представить в следующем виде:

D–G + A ↔ A–G + D

Функциональная группа G переносится от молекулы донора, D-G, на молекулу акцептора А. В этом случае кофермент может играть роль либо конечного акцептора (в реакциях отщепления водорода), либо промежуточного переносчика (в реакциях переаминирования). Эту вторую функцию можно проиллюстрировать следующим образом:

Реакции переноса водорода, имеющие место в живых клетках идут по схеме:

Наиболее распространенными коферментами, принимающими участие в переносе любых групп, кроме атомов водорода являются следующие: сахарофосфаты, СоА·SH, тиаминпирофосфат, фолиатные коферменты, биотин, кобамидные (В₁₂) коферменты. К коферментам, участвующим в переносе атомов водорода относятся: NAD⁺, NADP⁺, FMN, FAD, липоевая кислота, коэнзим Q.

Специфичность ферментов

Способность фермента катализировать одну и только одну реакцию является наиболее важным его свойством. Благодаря этому скорости отдельных метаболических процессов могут регулироваться путем изменения каталитической активности специфических ферментов. Тем не менее, нужно сказать, что многие ферменты способны проявлять более широкую субстратную специфичность, их субстратами при этом является небольшое число структурно сходных соединений. Реакции с альтернативными субстратами протекают только в тех случаях, когда концентрация этих субстратов относительно велика.

Оптическая специфичность ферментов

За исключением эпимераз (рацемаз), которые катализируют реакции взаимопревращения оптических изомеров, в целом ферменты проявляют абсолютную оптическую специфичность, по крайней мере, по отношению к определенному участку молекулы субстрата. Так, ферменты гликолитического и прямого окислительного пути распада глюкозы катализируют превращение только D-, но не L-фосфосахаров. За единичными исключениями (например, почечная оксидаза D-аминокислот) большинство ферментов катаболизма аминокислот млекопитающих катализирует превращения только L-изомеров аминокислот.

Оптическая специфичность может проявляться как в отношении участка молекулы субстрата, так в отношении молекулы в целом. Иллюстрацией служит специфичность гликозидаз. Эти ферменты катализируют гидролиз гликозидных связей между углеводом и спиртовой группой второго компонента гликозида: они высокоспецифичны как к углеводному фрагменту, так и к конфигурации – - или -гликозидной связи, но относительно не специфичны к спиртовому фрагменту молекулы гликозида.

Группоспецифичность ферментов

Гидролитические ферменты действуют на специфические химические группировки: гликозидазы – на гликозидные связи, пепсин, трипсин и химотрипсин – на пептидные связи, эстеразы – на сложноэфирные связи. В то же время некоторые протеиназы, кроме расщепления пептидных связей, способны также катализировать гидролиз, например, сложных эфиров. Следовательно, действие гидролаз распространяется на большое число субстратов, что позволяет организму обойтись небольшим набором пищеварительных ферментов.

Отдельные гидролитические ферменты отличаются более узкой группоспецифичностью. Так, химотрипсин гидролизует преимущественно пептидные связи, в которых карбоксильная группа принадлежит ароматическим аминокислотам – фенилаланину, тирозину, триптофану. Карбоксипептидазы и аминопептидазы отщепляют по одной аминокислоте с С- или N-конца полипептида, соответственно.

Некоторые оксидоредуктазы способны использовать в качестве акцепторов электронов NAD⁺ и NADP⁺, но большая часть этих ферментов специфичны только к одному из кофакторов. В целом, оксидоредуктазы млекопитающих, которые участвуют в биосинтетических процессах (например, в синтезе жирных кислот или стероидов), обычно используют в качестве восстановителя NАDPH, тогда как ферменты, участвующие в процессах расщепления (гликолиз, окисление жирных кислот), в качестве окислителя используют преимущественно NAD⁺.

Изоферменты

Когда говорят, например, о «малат-дегидрогеназе» или «глюкозо-6-фосфатазе», то обычно имеют в виду конкретный белок, который обладает определенной ферментативной активностью, однако в действительности эти названия охватывают все белки, катализирующие окисление малата в оксалоацетат или гидролиз глюкозо-6-фосфата с образованием свободной глюкозы и Р_i. В частности, в результате выделения малат-дегидрогеназы из различных источников обнаружилось, что фермент из печени млекопитающих и фермент из E. сoli, катализирующие одну и ту же реакцию, различаются во многих отношениях по своим физическим и химическим свойствам. Физически различимые формы ферментов, обладающие одним и тем же видом каталитической активности, могут присутствовать в разных тканях одного организма, в разных типах клеток одной ткани и даже в одной клетке прокариотического организма, например, в E. coli. Это открытие было сделано благодаря применению электрофоретических методов разделения белков, в результате чего были обнаружены электрофоретически разные формы ферментов с определенной ферментативной активностью, которые были названы изоферментами.

Термин «изофермент» охватывает все физически различимые белки с определенной каталитической активностью, однако на практике его употребляют в более узком смысле, подразумевая физически различимые и поддающиеся разделению формы данного фермента, присутствующие в различных типах клеток одного эукариотического организма, в том числе у человека. Известны изоферментные формы дегидрогеназ, оксидаз, трансаминаз, фосфатаз, трансфосфорилаз и протеолитических ферментов. В различных тканях могут присутствовать разные изоферменты, и эти изоферменты могут иметь различное сродство к субстрату.