Международная классификация ферментов

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время число различных известных реакций, катализируемых ферментами, составляет более двух тысяч и число их постоянно возрастает. Для того, чтобы ориентироваться в этом огромном количестве биохимических превращений, необходима некоторая система, которая и была создана Международным союзом по биохимии (International Union of Biochemistry, IUB) и рекомендована к повсеместному использованию. Согласно этой классификации все ферменты разбиваются на шесть классов. Каждый класс разбивается на подклассы, а каждый подкласс – на подподклассы. Все они имеют свои номера. В пределах подподкласса каждый относящийся к нему фермент имеет свой порядковый номер. Таким образом, фермент характеризуется четырьмя цифрами, номером класса, подкласса, подподкласса и порядковым номером фермента в подподклассе. Кроме того, рекомендации IUB касаются и номенклатуры ферментов. Создана применимая для большинства ферментов систематическая номенклатура. Однако, допускается использование и других, упрощенных названий, причем из нескольких исторически сложившихся выделяется одно, рекомендуемое для использования.

Рассмотренные вопросы в настоящем учебном пособии включены в типовые и рабочие программы по биологической химии, на основании которых ведётся подготовка специалистов в ГОУ ВПО Росздрава Новосибирском государственном медицинском университете по всем специальностям.

Настоящее учебное пособие предназначено для самостоятельной подготовки студентов к практическим занятиям по биохимии для студентов 2-3 курсов всех факультетов по теме «Классификация ферментов», а также необходимо для подготовки к коллоквиуму и экзамену по курсу биохимии.

Целью данного пособия является формирования представлений о принципах классификации ферментах, основах номенклатуры ферментах, химической природе коферментов.

Знание основ классификации ферментов и номенклатуры, особенностей строения небелковой части, биологических функций отдельных ферментов позволит лучше понимать «язык» биохимии и ориентироваться в терминологии, облегчит дальнейшее изучение тем курса биологической химии.

Пособие включает вопросы международной классификации ферментов, номенклатуры ферментов, характеристики классов ферментов, включающих оксидоредуктазы, гидролазы, изомеразы, трансферазы, лиазы и лигазы. В разделах, посвященных отдельным классам, приведены примеры ферментов, их место в классификации, химическая природа коферментов и биологические функции.

Пособие содержит тестовые задания и ответы к ним, предназначенные для самооценки степени усвоения материала.

Для углубления представлений о классификации ферментов можно использовать литературу, представленную в конце пособия.

ВВЕДЕНИЕ

Химические реакции в живых организмах протекают с высокой скоростью, благодаря наличию катализаторов белковой природы – ферментов или энзимов. Ферменты были открыты в процессе изучения механизмов брожения, этим и объясняется происхождение их названия (от лат. fermentatio – брожение, en zyme – в дрожжах). Представление о том, что в живых системах химические реакции протекают при помощи каких-то факторов, возникло более 200 лет назад. Более чёткие химические представления сформировались в связи с развитием теории химического катализа, выдвинутой шведским химиком Й.Я. Берцелиусом, который первым отметил высокую производительность биологических катализаторов на примере диастазы.

В 50-х гг. XIX столетия Л. Пастер показал, что сбраживание дрожжами сахара в спирт катализируется веществами белковой природы – ферментами. В 20-х гг. XX в. З. Вильштеттер впервые получил ряд ферментов в высокоочищенном состоянии. В 1926 г. Дж. Самнер впервые получил растительную уреазу в виде белковых кристаллов. Четыре года спустя Дж. Нортроп и М. Кунитц представили данные о получении кристаллов трипсина и пепсина, доказав их исключительно белковую природу. Успехи прикладной энзимологии во второй половине XX столетия позволили получить более 2000 ферментов в более или менее очищенном состоянии.

Первоначально ферментам давали названия, прибавляя окончание -аза к названию субстрата, на который данный фермент действует. Так, ферменты, гидролизующие крахмал (амилон) были названы амилазами; ферменты, гидролизующие жиры (липос) – липазами; ферменты, гидролизующие белки (протеины) – протеиназами. Позднее ферменты стали называть по типу реакции, которую они катализируют: дегидрогеназы, оксидоредуктазы, декарбоксилазы и т.д. Многие из этих названий сохранились и до сих пор.

Необходимость систематики ферментов диктовалась, прежде всего, стремительным ростом числа вновь открываемых ферментов, которым разные исследователи присваивали названия по своему усмотрению. Часто одному и тому же ферменту давали два или несколько названий.

Существуют разные виды классификаций ферментов.

1. По химическому строению выделяют простые и сложные ферменты. Простые ферменты состоят только из аминокислот, а сложные содержат небелковую (простетическую) группу. Белковую часть сложных белков принято называть апоферментом. Связанную с белковой частью простетическую группу в составе сложного фермента принято называть кофактором или коферментом. Кофактор, как правило, представлен ионами металла (Zn²⁺, Fe²⁺, Cu⁺, Mg²⁺ и др). Коферменты имеют большую молекулярную массу и являются:

- производными витаминов (тиаминдифосфат, ФМН, ФАД, НАД, HSКоА, НАДФ, пиридоксальфосфат)

- невитаминные (биоптерин, тиоредоксин, глутатион, липоевая кислота, фосфаты, гем и др.).

2. По локализации в клетке различают лизосомальные, цитозольные, микросомальные, митохондриальные, ядерные ферменты.

3. По локализации в организме биологические катализаторы можно разделить на ферменты крови, сердца, печени и др.

4. По продолжительности жизни молекул фермента различают короткоживущие (Т_1/2 менее 1 ч) и долгоживущие ферменты (Т_1/2 более 1 ч).

5. По возможности адаптивно регулировать количество молекул фермента разделяют конститутивные ферменты, которые синтезируются в организме на постоянном уровне и индуцибельные или адаптивные, синтез которых в организме усиливается при определённых условиях.

Однако эти принципы не могли служить общей основой для классификации, так как только для небольшого числа ферментов известны простетические группы, доступные идентификации и прямому определению. Ещё меньше известно о тканевых особенностях регуляции синтеза ферментов.

Именно катализируемая химическая реакция является тем признаком, по которому можно отличить один фермент от другого. Естественно, что Международная комиссия по ферментам этот принцип положила в основу классификации ферментов, которая с незначительными изменениями и дополнениями используется до настоящего времени.

МЕЖДУНАРОДНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ

Открытие огромного количества ферментов (более 3000) и их разнообразие заставило принять единую классификацию ферментов. Международный биохимический союз (IUB) в 1961 году ввел единую номенклатуру, принятую во всем мире. В основу современной классификации ферментов положен следующий принцип – тип катализируемой реакции. Этот принцип логично использовать в качестве основы для классификации и номенклатуры ферментов.

Таким образом, тип катализируемой реакции в сочетании с названием субстрата (субстратов) служит основой для систематического наименования ферментов. Согласно Международной классификации, ферменты делят на 6 классов (оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы).

По классификации ферментов (КФ – русскоязычная, ЕС – англоязычная) каждый фермент (энзим) имеет свой определенный номер (шифр), состоящий из четырех групп цифр, разделенных точками. Первая цифра обозначает отнесение фермента к классу, вторая – к подклассу, третья – к подподклассу и, наконец, четвертая – номер фермента. Например, шифр алкогольдегидрогеназы по классификации – КФ 1.1.1.1, малатдегидрогеназы – КФ 1.1.1.37. Разделение ферментов на классы строгое и не допускает произвольного изменения номеров. Номер (шифр) фермента абсолютно точно указывает место фермента в общем списке. Так, все оксидоредуктазы относят к первому классу, трансферазы – ко второму, гидролазы – к третьему и т.д.

Классификация ферментов: четырехчисловая система, первое число – класс (один из шести):

КФ 1. Оксидоредуктазы

КФ 2. Трансферазы

КФ 3. Гидролазы

КФ 4. Лиазы

КФ 5. Изомеразы

КФ 6. Лигазы

Внутри каждого класса происходит разделение на подклассы, например, внутри первого класса различают:

КФ 1.1 Действующие на CH-OH группы донора

КФ 1.2 Действующие на альдегидные или оксо- группы донора

КФ 1.3 Действующие на CH-СH группы донора

КФ 1.4 Действующие на CH-NH₂ группы донора