Локализация ферментов и их сравнительная активность в отдельных органах и тканях
Все организмы, отдельные органы и ткани многоклеточных организмов отличаются друг от друга не только по морфологическим и анатомическим признакам, химическому составу, но и характеру метаболических процессов, который определяется «набором» ферментов и их активностью. Например, ферменты метаболизма зеленых пигментов характерны только для фотосинтезирующих организмов, а ферменты тромбин и плазмин — для человека и животных.
Внутри клетки индивидуальные ферменты, как правило, содержатся и действуют в строго определенных ее органеллах, компартментах. Внутриклеточная локализация ферментов непосредственно связана с той функцией, которую выполняет данный участок клетки. Установлено, что почти все ферменты гликолиза обнаруживаются в цитоплазме, ферменты ЦТК, β-окисления жирных кислот — в матриксе митохондрий, ферменты окислительного фосфорилирования — во внутренней мембране митохондрий. Ферменты орнитинового цикла присутствуют в митохондриях и цитоплазме, причем одни из них (орнитин-карбамоилтрансфераза, большая часть карбаматкиназы) локализованы в митохондриях, а другие (аргининосукцинат-синтетаза, аргининосукцинатлиаза) — в цитоплазме.
В ядрах сосредоточено небольшое число ферментов, в основном это ферменты синтеза нуклеиновых кислот, типичными представителями их являются α- и β-ДНК-полимеразы, РНК-полимераза. Очень богаты по набору ферментов лизосомы, в них широко представлены гидролитические ферменты. Лизосомы участвуют в «переваривании» содержимого фагоцитарных пузырьков, которые при этом сливаются с лизосомами. Такие объединенные образования остаются отделенными мембраной от остальных внутриклеточных компонентов, что и защищает последние от гидролиза. Вместе с тем при автолизе и некрозе тканей ферменты лизосом участвуют непосредственно в расщеплении компонентов самой клетки. У животных и человека лизосомы присутствуют в различных клетках, особенно много их содержится в лейкоцитах.
В пероксисомах сосредоточены ферменты метаболизма гликолевой кислоты и утилизации пероксида водорода. Мембранные структуры микросом богаты цитохромом Р-450, катализирующий ряд реакций биологического гидроксилирования и других окислительных процессов. В строме хлоропластов содержится рибулозобисфосфат-карбоксилаза и другие ферменты, участвующие в синтезе углеводов из С02. В мембраныхлоропластов встроены АТФазы и переносчики электронов, функционирующие в процессе фотосинтеза. Четкая пространственная локализация ферментов в клетке обеспечивает их согласованную деятельность.
Многие биологические катализаторы благодаря их строгому расположению в клетке используют как маркеры тех или иных внутриклеточных структур. Например, при исследовании печени крыс показано, что кислая фосфатаза локализована в лизосомах, каталаза, оксидаза D-аминокислот — в пероксисомах, аденилатциклаза — в плазматической мембране, глюкозо-6-фосфатаза, НАДФН-цитохром с — редуктаза — в ЭПР, лактатдегидрогеназа — в цитоплазме галактозилтрансферазы — в аппарате Гольджи. Однако распределение ряда ферментов внутри клетки может быть неоднотипным у различных представителей живой природы. Так, фосфоенолпируват-карбоксилаза в печени крыс обнаруженна в цитоплазме, кролика — в митохондриях, а морской свинки — и в митохондриях, и в цитоплазме.
Отдельные ткани и органы животных и растений отличаются не только по набору ферментов, но и по их активности. Так, почти во всех тканях млекопитающих содержатся ферменты гликолиза, ЦТК, но активности их существенно отличаются в разных по специфичности клетках. Наибольшая активность ферментов гликолиза, а также креатинкиназы характерна для скелетных мышц, ферментов орнитинового цикла — для печени, РНКазы — для поджелудочной железы, глутаминазы — для мозга, β-глюкуронидазы — для селезенки. Такую особенность тканей используют в клинике при диагностике некоторых заболеваний. В частности, возрастание активности креатинкиназы в сыворотке крови является одним из показателей повреждения мышечной ткани.
Существуют также возрастные изменения в активности и наборе ферментов в тканях, которые наиболее четко заметны в период эмбрионального развития при дифференцировке тканей. Так, у неоплодотворенного куриного яйца обнаруживаются лишь следы лактатдегидрогеназной активности; она существенно возрастает с началом развития эмбриона.
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 подклассы, а последние — на подподклассы или группы, внутри которых ферментам присвоен порядковый номер. Каждый фермент имеет свой индивидуальный четырехзначный шифр. Например, шифр фермента глюкозооксидазы 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. 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+H20 = XOH + YH.
4. Лиазы. Катализируют реакции негидролитического расщепления с образованием двойных связей или реакции присоединения по двойным связям.
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-б-фосфат+ АДФ, имеет рабочее название гексокиназа.
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'H2+R" = R"H2 + R'.
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.
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.
3-й класс. Гидролазы. Систематическое название ферментов класса гидролаз составляется из названия субстрата и через тире слова гидролаза. Отщепляемые группы могут быть указаны после названия субстрата, например аденозин — аминогидролаза. Класс гидролаз делится на одиннадцать подклассов.
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.
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.
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.