Дисциплина: биохимия (Б1.Б.15) Специальность: педиатрия (31.05.02) НГМУ, кафедра медицинской химии Д.б.н., доцент Суменкова Дина Валерьевна Лекции: ЭНЗИМОЛОГИЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ 2
Номенклатура и классификация ферментов – «путеводитель» в мире ферментов, который по названию фермента позволяет определить тип катализируемой реакции и субстрат искомых ферментов, в том числе используемых в диагностике заболеваний Пример: инфаркт миокарда Какие реакции в кардиомиоцитах катализируют данные ферменты? Ответ на вопрос – в названии ферментов! 3 Значительно повышается активность аспартат - и аланинаминотрансфераз, к реатинкиназы, лактатдегидрогеназы
Номенклатура ферментов Классы ферментов: характеристика структурных единиц классификатора (классов, подклассов) п римеры ферментов 4
Знать: п ринципы номенклатуры и классификации ферментов х арактеристику классов ферментов и основных подклассов примеры реакций, катализируемых ферментами разных классов Знания номенклатуры и классификации ферментов необходимы для понимания сущности химических превращений, катализируемых основными ферментами организма детей и подростков, в том числе используемыми в диагностике заболеваний 5
Номенклатура международного союза биохимии и молекулярной биологии (1961 г) Название фермента: название субстрата (или субстратов) + тип реакции + аза ПРИМЕР: алкоголь : NAD + оксидоредуктаза ( алкогольдегидрогеназа ) 6
Исключение 1. Тривиальные названия: пепсин, трипсин, ренин Исключение 2. Субстрат + аза Карбоксипептид аза Амил аза ( amylum – крахмал) Лип аза РНК аза Альдол аза Енол аза Ферменты, катализирующие реакции расщепления связей: гидролазы, лиазы ( альдолаза, енолаза ) 7
8 Исключение 3. Продукт + синтаза Метионин синтаза Тимидилат синтаза Цитрат синтаза Аминолевулинат синтаза Название метионинсинтазы по номенклатуре: гомоцистеин метилтрансфер аза Синтазы встречаются и среди ферментов других классов (например, лиазы – уропорфириногенсинтаза ) Ферменты, катализирующие реакции переноса группы атомов с одного субстрата на другой ( трансферазы )
9 Исключение 4. Продукт + синтетаза Ацил-КоА синтетаза Глутамил синтетаза Аминоацил-тРНК синтетаза Ферменты, катализирующие реакции образования ковалентных связей между двумя субстратами ( лигазы, или синтетазы )
Основа деления ферментов на классы: тип катализируемой реакции (реакционная, или каталитическая специфичность) 6 КЛАССОВ ФЕРМЕНТОВ : 1. Оксидоредуктазы 2. Трансферазы 3. Гидролазы 4. Лиазы 5. Изомеразы 6. Лигазы Классы делят на подклассы, подподклассы Каждый фермент имеет кодовый номер 10
КФ 1.1.1.1. Алкоголь: NAD + оксидоредуктаза ( алкогольдегидрогеназа ) 1 - Класс: оксидоредуктазы (реакции окисления-восстановления) 1 - Подкласс: действующие на СН-ОН группу доноров 1 - Подподкласс : с NAD + в качестве акцептора 1 – Порядковый номер фермента в группе CH 3 CH 2 OH + NAD + ↔ CH 3 CHO + NADH + H + 11
12 Тип катализируемой реакции Принцип деления на подклассы Кофакторы, коферменты (если есть) Как складывается название ферментов данного класса Пример фермента и реакции Роль названной реакции в обмене веществ
Тип реакций: окислительно-восстановительные (перенос электронов (и протонов водорода) с одного субстрата на другой) Подклассы и подподклассы характеризуют группу донора и вид акцептора акцепторы-коферменты: NAD +, NADP + ( vit PP), FAD, FMN ( vit B2) 13
14 Реакции с участием О 2 как окислителя О 2 – акцептор электронов и протонов (атома водорода), переносимых с окисляемого субстрата Оксидазы Аэробные дегидрогеназы О 2 – встраивается в субстрат, окисляя его (меняя степень окисления атома С) Оксигеназы : моно- и диоксигеназы Реакции без участия О 2 Роль акцептора выполняют другие вещества или коферменты NAD, NADP (производные вит. РР, или В 3 ), реже FAD, FMN (производные вит. В 2 ) Анаэробные дегидрогеназы Реакции с участием Н 2 О 2 как окислителя Гидропероксидазы (Н 2 О 2 превращается в воду)
Оксидоредуктазы можно разделить на группы вне структуры классификатора (то есть не на подклассы ). В одной группе могут быть ферменты разных подклассов. Оксидазы Аэробные дегидрогеназы Оксигеназы Анаэробные дегидрогеназы Гидропероксидазы 15
Тип реакций: перенос электронов и протонов водорода (дегидрирование) с одного субстрата на другой Акцептор водорода: кислород Продукт реакции: вода Кофакторы : медь, железо (в активном центре участвуют в переносе электронов) Название: субстрат + оксидаза ПРИМЕР: цитохром -с оксидаза Фермент процесса тканевого дыхания в митохондриях, где электроны, высвобождаемые из молекул различных субстратов при их полном окислении в клетке, переносятся на кислород с образованием метаболический воды О 2 + 4Н + + 4 е- → 2Н 2 О Fe 3+ + e- → Fe 2+ / Fe 2+ - e- → Fe 3+ Cu 2+ + e- → Cu 1+ / Cu 1+ - e- → Cu 2+ 16
Тип реакций: дегидрирование А кцептор водорода: кислород Продукт реакции: Н 2 О 2 Кофермент ( простетическая группа): FMN, FAD (производные вит. В 2 - рибофлавина) Кофакторы : ионы металлов Кофакторы и коферменты – посредники в переносе электронов и протонов. В структуре кофермента именно витамин принимает и передает электроны, являясь, таким образом, «рабочей частью» кофермента. Название: субстрат + оксидаза ПРИМЕР : ксантиноксидаза ( FAD, Mo 2+, Fe 3+ ) ксантин + O 2 + H 2 O → мочевая кислота + Н 2 О 2 (реакция катаболизма пуриновых нуклеотидов) 17
Тип реакций: дегидрирование Акцептор водорода – коферменты: обычно NAD +, NADP + (производные вит. РР, или В 3 – никотиновой кислоты) реже FMN, FAD (производные вит. В 2 – рибофлавина) Образуются восстановленные формы коферментов – NADH+H +, NADPH+H +, FADH 2, FMNH 2 «Рабочей частью» коферментов, принимающей электроны и протоны, являются витамины Название: субстрат + дегидрогеназа или редуктаза ПРИМЕР: алкогольдегидрогеназа, глутатионредуктаза Название « субстрат+дегидрогеназа » подчеркивает важную роль процесса окисления субстрата Название « субстрат+редуктаза » подчеркивает важную роль процесса восстановления субстрата 18
19 Ферменты цикла Кребса – метаболического процесса энергетического обмена
Тип реакций: окисление субстрата путем включения кислорода в субстрат ( диоксигеназы и монооксигеназы ) Кофакторами могут быть железо или медь Коферментами могут быть NADPH+H +, витамин С Монооксигеназы (или гидроксилазы ) – включают в субстрат 1 атом кислорода с образованием в субстрате -ОН, другой атом кислорода восстанавливается до воды с участием косубстрата как донора Н 2 (обычно это NADPH+H + ) Название монооксигеназ : субстрат + гидроксилаза или монооксигеназа ПРИМЕР: фенилаланингидроксилаза (реакция окисления фенилаланина с образованием тирозина) Название диоксигеназ : диоксигеназа + субстрат ПРИМЕР: диоксигеназа гомогентизиновой кислоты (реакция катаболизма тирозина) 20
21
22 Окисление фенилаланина с образованием тирозина, условно заменимой аминокислоты, необходимой для синтеза тиреоидных гормонов, катехоламинов, меланина. Окисление холестерина с образованием желчных кислот, необходимых для усвоения пищевого жира. Окисление холекальциферола (витамина Д 3 ) с образованием кальцитриола – гормона, регулирующего обмен кальция и фосфора. Окисление прегненолона и прогестерона с образованием стероидных гормонов (кортизола, альдостерона, половых гормонов). Окисление ксенобиотиков, включая лекарственные препараты, в процессе их обезвреживания в печени.
цитохром Р-450-содержащие монооксигеназы микросом печени – ферменты метаболизма ксенобиотиков (например, лекарственных препаратов) R -Н + О 2 + цитохром Р-450 ( Fe 3 + ) + NADPH + H + → R -ОН + Н 2 О + NADP + R-H – субстрат окисления (гидрофобный ксенобиотик) R-OH – продукт микросомального окисления (гидрофильный за счет образования -ОН, что способствует его выведению из организма с мочой) Железо в составе гема цитохрома Р-450 участвует в передаче электронов с NADPH + H+ на атом кислорода с образованием Н 2 О. 23
24
25 ( 1 ) Связывание в активном центре цитохрома Р 450 вещества RH активирует восстановление железа в геме - присоединяется первый электрон (2). Изменение валентности железа увеличивает сродство комплекса P 450 -Fe 2+ ·RH к молекуле кислорода (3). Появление в центре связывания цитохрома Р 450 молекулы О 2 ускоряет присоединение второго электрона и образование комплекса P 450 -Fe 2+ O 2 - -RH (4 ). На следующем этапе (5) Fe 2+ окисляется, второй электрон присоединяется к молекуле кислорода P 450 -Fe 3+ O 2 2-. Восстановленный атом кислорода (О 2- ) связывает 2 протона, и образуется 1 молекула воды. Второй атом кислорода идёт на построение ОН-группы (6). Модифицированное вещество R-OH отделяется от фермента (7).
Тип реакции: перенос электронов и протонов с окисляемого субстрата на Н 2 О 2 с образованием Н 2 О Кофакторы : железо, селен Пример: глутатиопероксидаза (ГПО) Реакция необходима для восстановления (обезвреживания) сильного окислителя (Н 2 О 2 ), способного запускать процессы ПОЛ, окислительной модификации белков и нуклеиновых кислот в клетке Кофермент-донор водорода: глутатион GSH ( трипептид : γ - глутамил - цистеинил -глицин ) Кофактор : селен Н 2 О 2 + 2 GSH → 2Н 2 О + GSSG GSH – восстановленный глутатион ( SH - группы цистеина) GSSG – окисленный глутатион Восстановление глутатиона после реакции обеспечивает глутатион редуктаза (донор водорода – NADPH +Н + ) 26
27 Пример: каталаза «Чемпион» в мире катализа (один из самых «быстрых» ферментов) Кофактор : гем ( Fe 3+ ) 2Н 2 О 2 → 2Н 2 О + О 2 Чем отличается «работа» каталазы и ГПО?
Антиоксиданты – ингибиторы процессов свободно-радикального окисления биомолекул (перекисного окисления липидов, окислительной модификации белков и нуклеиновых кислот) под действием активных метаболитов кислорода Активные метаболиты кислорода – окислители (НО •, Н 2 О 2, О 2 ·- ) Ферменты-антиоксиданты: каталаза, ГПО, СОД Супероксиддисмутаза (СОД) О 2 ·- + О 2 ·- + 2Н + → Н 2 О 2 + О 2 Реакция дисмутации супероксид-аниона довольно быстро протекает спонтанно, но супероксид ещё быстрее реагирует с NO, образуя пероксинитрит – сильнейший окислитель Супероксиддисмутаза обладает самой высокой скоростью катализа 28
Тип реакций: перенос групп атомов с одного субстрата на другой Подклассы характеризуют переносящую группу: Аминотрансферазы Метилтрансферазы Фосфотрансферазы ( киназы ) и др. Название по номенклатуре: Субстрат (с которого или на который идет перенос) + переносимая группа + аза ПРИМЕРЫ: аланинаминотрансфераза (перенос аминогруппы с аланина на кетокислоту) норадреналинметилтрансфераза (перенос метильной группы на норадреналин с активной формы метионина) Два субстрата + переносимая группа + аза лецитин: холестерол ацилтрансфераза (перенос ацила – остатка жирной кислоты – с лецитина на холестерол в процессе его транспорта из крови в печень) Субстрат (на который идет перенос) + киназа ( перенос фосфатных групп с АТФ) глюкокиназа (перенос фосфата с АТФ на глюкозу) Субстрат + фосфорилаза (перенос части субстрата на фосфорную кислоту) гликогенфосфорилаза (отщепление от гликогена остатка глюкозы с переносом на фосфорную кислоту) Продукт + синтаза Примеры см. на слайде 8 29
30 Перенос NH 2 - группы с аминокислоты на кетокислоту с образованием другой кетокислоты (из аминокислоты) и другой аминокислоты (из кетокислоты). Кофермент: пиридоксальфосфат (производное вит. В 6, пиридоксина ). Витамин принимает и передает аминогруппу. Пример : аспартатаминотрансфераза
31 SAM ( S - аденозилметионин ) – активная форма метионина – донора CH 3 Источник аденозила - АТФ Норадреналин- метилтрансфераза
32 Это реакция – «ловушка» глюкозы в клетке, т.к. глюкозо-6-фосфат не может выйти из клетки
Тип реакций: гидролиз (расщепление ковалентной связи с присоединением молекулы воды по месту разрыва) Подклассы характеризуют тип гидролизуемой связи: Пептидазы (гидролиз пептидных связей) Пример: пепсин (переваривание белков пищи) Гликозидазы (гидролиз гликозидных связей) Пример: амилаза (переваривание углеводов пищи) Гидролазы эфирных связей и другие Примеры: эстеразы, липазы (гидролазы эфирных связей, образованных карбоновыми кислотами), фосфатазы (гидролазы эфирных связей, образованных фосфорной кислотой) Название по номенклатуре: Субстрат + аза Примеры см. на слайде 7 Субстрат + фосфатаза фосфопротеинфосфатаза (реакция регуляции активности ферментов путем их дефосфорилирования ) 33
34
Катализируют два типа реакций : Тип реакций 1: Расщепление связей негидролитическим путем и отщепление простых молекул (СО 2, Н 2 О, NH 2, SH 2 ). Подклассы характеризуют вид расщепляемой связи: C-C, C-N, C-O,C-S, P-O лиазы Название по номенклатуре: Субстрат + аза Примеры см. на слайде 7 Субстрат + лиаза аргининосукцинатлиаза (реакция в цикле обезвреживания аммиака) Субстрат + декарбоксилаза (С-С лиазы, расщепляющие связь -СН 2 -СООН с отщеплением СО 2 ) гистидиндекарбоксилаза 35
36 Декарбоксилазы аминокислот «работают» с коферментом – пиридоксальфосфатом (ПФ), производным вит. B 6, пиридоксина При декарбоксилировании аминокислот образуются биогенные амины Гистамин участвует в развитии воспалительной, аллергической реакций, «запускает» синтез соляной кислоты в желудке
37 Тип реакций 2. Отщепление простых молекул с образованием двойной связи в продукте, в одном направлении, и присоединение простых молекул по двойной связи – в другом направлении. Например, присоединяющие и отщепляющие воду – гидратазы ( дегидратазы ) Реакция цикла Кребса в энергетическом обмене
Тип реакций: внутримолекулярные превращения (образование изомеров) Подклассы: рацемазы (внутримолекулярные превращения субстратов, имеющих один хиральный атом углерода, например, взаимопревращения L и D –изомеров) эпимеразы (внутримолекулярные превращения субстратов, имеющих несколько хиральных атомов углерода, например, превращение галактозы в глюкозу) цис -транс- изомеразы Внутримолекулярные оксидоредуктазы ( окисление одной части молекулы с одновременным восстановлением другой) Н азвание: субстрат + изомераза Внутримолекулярные трансферазы ( мутазы ) Название: субстрат + мутаза 38
39 А Б Это реакции гликолиза – окисления глюкозы для синтеза АТФ
Тип реакций: соединение двух субстратов ковалентной связью ( C-C, C-N, C-O,C-S ) с образованием более сложного соединения (синтез нового вещества, в структуру которого входят оба субстрата) Подклассы характеризуют вид образуемой связи: C-C, C-N, C-O,C-S лигазы Реакции синтеза сопряжены с затратой энергии АТФ или ГТФ (макроэргические связи подвергаются гидролизу с освобождением энергии) !!! Не путать с синтазами (это представители трансфераз и некоторых других классов) 40
41 Название: субстрат + карбоксилаза В реакции карбоксилирования участвует кофермент биоцитин, производное вит. H, или В 7, биотина. Это ключевая реакция в синтезе глюкозы, а также реакция-поставщик оксалоацетата для цикла Кребса – процесса энергетического обмена
42 Название: продукт + синтетаза Универсальная реакция обезвреживания аммиака
43 Реакция активации жирной кислоты Реакция активации аминокислоты в момент трансляции
44 1. Используя материал слайдов 22-25, учебник, интернет-ресурсы объясните роль реакций гидроксилирования и механизм работы электронтранспортной цепи микросомального окисления ксенобиотиков в печени. 2. Используя знания из курса химии, интернет-ресурсы, слайды 26-28, объясните понятие «свободно-радикальное окисление», «перекисное окисление липидов», «активные метаболиты кислорода», «антиоксиданты ». Назовите ферменты-антиоксиданты. Какие реакции они катализируют? К какому классу ферментов они относятся?
45 Задание 1. Определите класс ферментов, катализирующих реакции с общей формулой: 2SH2 + O2 → 2S + 2H2O SH2 + O2 → S + H2O2 ( с участием FAD) SH2 + NAD + → S+ NADH + H + S-H + O2 + NADPH+H + → S-OH + H2O + NADP + 2H2O2 → 2H2O + O2 S1 + S2-CH3 → S1-CH3 + S2
46 S + H2O → P1 + P2 S → P1 + P2 S (-CH=CH-) + H2O → S (-CH2-CH-OH ) S → P ( изомер S ) S1 + S2 + ATP → P (S1S2) + ADP + H3PO4 S1 + S2 + ATP → P (S1S2) + A M P + H4P2O7
47 Задание 2. Сравните 2 реакции с участием АТФ. Назовите роль АТФ в каждом случае и класс ферментов: S (OH) + ATP → S (OPO 3 H2) + ADP S1 + S2 + ATP → P (S1S2) + ADP + H3PO4 Сравните 2 реакции с участием воды и назовите класс ферментов: S + H2O → P1 + P2 S (-CH=CH-) + H2O → S (-CH2-CH-OH)
48 Задание 3. Объясните разницу между названиями ферментов и назовите тип катализируемых реакций (класс ферментов): 1) гидролаза, гидроксилаза, гидратаза 2) киназа, фосфатаза Задание 4. По названию ферментов определите их класс (для оксидоредуктаз и их группу), назовите субстрат ферментов: Лактат дегидрогеназа, глутатион редуктаза, ксантин оксидаза, глутатион пероксидаза Глюко киниза, аланин аминотрансфераза Глюкозо-6- фосфатаза, а цетилхолин эстераза, ТАГ- липаза Гистидин декарбоксилаза, серин дегидратаза, фумарат гидратаза Фосфоглюко мутаза, фосфоглюко изомераза Пируват карбоксилаза, глутамин синтетаза Задание 5. Охарактеризуйте реакции, катализируемые ферментами энзимодиагностики инфаркта миокарда (см. слайд «Актуальность темы»). Назовите субстраты, продукты, класс.
В настоящее время число различных известных реакций, катализируемых ферментами, составляет около 2 тысяч и число их непрерывно возрастает. Для того, чтобы ориентироваться в этом множестве биохимических превращений Международный союз биохимии и молекулярной биологии создал классификацию и номенклатуру ферментов. В основу классификации ферментов положен тип катализируемой реакции. В основу номенклатуры – субстрат и тип реакции. 49
1. Биохимия: учебник для вузов / Е. С. Северин - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2014. - 768 с. 2. Биологическая химия с упражнениями и задачами: учебник / ред. С. Е. Северин. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 624 с. (С.73-76; С. 552 обезвреживание ксенобиотиков при участии монооксигеназ микросом печени) 3. Биологическая химия: учебник для студентов медицинских вузов / А.Я. Николаев. – М.: Мед. информ. агенство, 2007. – 568 с. 50
