Оксидоредуктазы
К первому классу относятся оксидоредуктазы или окислительно- восстановительные Ф. Их систематическое название складывается из названия восстановителя (электронодонора), окислителя (элеюгроно- акцептора) и названия класса. Например, Ф, катализирующий окисление этанола до ацетальдегида при участии NAD+ (5.1), носит название — алкоголь: НАО+-оксидоредукгаза. В первом классе имеется 15 подклассов. Ф первого подкласса 1.1 катализируют окисление ОН-групп до карбонильных, второго 1.2 — окисление карбонильных до карбоксильных, третьего 1.3 — превращение >СН-СН< фрагментов до >С=С<, четвертого 1.4 — окисление первичных NH2-rpynn до карбонильных и иона NH4+ и т. д. Кроме номенклатурных допускается использование и упрощенных названий. Все Ф, содержащие NAD+ или NADP+ (5.2) в качестве окислителя принято называть дегидрогеназами. Упомянутая выше алкоголь: КА1)+-оксидоредуктаза носит также название алкоголь де- гидрогеназа. Этот Ф относится к подподклассу 1.1.1 и является первым в нем, о чем свидетельствует код данного Ф — (ЕС 1.1.1.1). Известно более 200 биохимических реакций окисления спиртовых групп до карбонильных и несколько десятков превращений карбонильных групп в карбоксильные, протекающих при участии нико- тинамидных коферментов. Большинство из этих процессов обратимы. Однако, как правило, биологически значимым является только одно направление. При этом имеет место следующая закономерность: если метаболический процесс протекает в направлении окисления субстрата, то в качестве окислителя выступает NA?)+. Если же реакция подпод- класса связана с восстановлением органического соединения, то чаще всего восстановителем является NADPH (5.3). Принимая за основу при классификации Ф 1.1 подкласса природу окислителя, к подподклассу 2 относят энзимы, катализирующие окисление цитохромом С (CYC), к подподклассу 3 — катализирующие окисление молекулярным кислородом, к подподклассу 4 — дисульфидами. Например, глюкозооксидаза, катализирующая окисление молекулярным кислородом полуацетальной ОН-группы p-D-глюкозы до карбонильной группы, относится к первому подклассу и третьему подподклассу: Порядковый номер этого Ф — (ЕС 1.1.3.4). В качестве кофактора глюкозооксидаза содержит флавинадениндинуклеотид (FAD, 5.5), синтетическим предшественником которого является рибофлавин (витамин В2). представлены каталаза (ЕС 1.11.1.6) и пероксидаза (ЕС 1.11.1.7). Оба Ф яачяются гемопротеидами. Энзимы, катализирующие превращения, в которых окислителем выступает молекулярный кислород, подразделяются на три группы: оксидазы, монооксигеназы и диоксигеназы. Оксигеназы участвуют в реакциях, в результате которых 02 восстанавливается до Н202 или Н20.
Примерами могут служить выше упомянутая глюкозооксидаза и CYC-оксидаза. Последняя катализирует окисление ферроцитохрома С до феррицитохрома: 4CYC(Fe2+) + 4 Н + 02 >4CYC(Fe3+) + 2 НгО Монооксигеназы участвуют в процессах, в результате которых один из атомов кислорода входит в состав субстрата, а второй восстанавливается до Н20. Для подобного рода превращений характерно участие двух доноров, один из которых является донором электронов (чаще всего это NADPH), а второй — донором протонов. Природа второго донора может быть различной. Суммарное уравнение имеет вид: К монооксигеназам относится чрезвычайно важная группа Ф—CYP450 (см. разд. 2.5 и 8.1). Эти энзимы являются одновременно гемо- и флавопротеидами, причем флавиновые нуклеотиды выступают в этом случае в качестве доноров протонов. Восстановление связанного с белком флавинового фрагмента в CYP450 катализирует NADPH: цитохром Р450-редуктаза и тем самым обеспечивает цикличность работы этого семейства Ф. Название CYP450 получили благодаря тому, что комплекс оксида углерода СО с восстановленной формой гема в составе этих Ф имеет максимум поглощения в видимой области спектра при 450 нм. Семейство CYP450 играет чрезвычайно важную роль в метаболизме БАВ и других экзогенных органических веществ, попадающих в организм извне и неспособных в нем ассимилировать (см. разд. 8). (5-6) Диоксигеназы принимают участие в процессах, в результате которых оба атома молекулы кислорода включаются в состав окисляемого соединения, Например, окисление триптофана (5.6) до формилкин- уренина (5.7). Это превращение катализирует триптофан 2,3-диокси- геназа (ЕС 1.13.11.11). Чрезвычайно важная роль в защите организма на молекулярном и клеточном уровнях от повреждающего действия сильного окислителя — радикала Н02* принадлежит супероксиддисмутазе (ЕС 1.15.1.1). Этот Ф является металлопротеидом и может содержать в качестве кофактора ионы Zn2+, Мп2+, Cu2+, Fe2+.
Реакция, катализируемая су- пероксиддисмутазой, имеет следующий вид: но2 + но2 > н2о2 + о2 Трансферазы, катализирующие перенос различных групп с одной молекулы на другую, образуют второй класс Ф. Эти превращения можно представить следующим образом: АВ + Xс >А + ВХ(АВ, Х*Н2О, ОН”) Название Ф этого класса по систематической номенклатуре составляется согласно схеме — АВ:Х В-трансфераза, например, серии тетрагидрофолат гидроксиметилтрансфераза (ЕС 2.1.2.1). Разделение на подклассы определяется природой переносимых групп. Перенос одноуглеродного фрагмента к THF — результат взаимодействия последнего с серином. Этот процесс катализирует упомянутая выше серин гидроксиметилтрансфераза Образовавшийся метионин далее используется в синтезе протеинов и S-аденозилметионина (5.9): Последний является главным метилирующим агентом в клетках и участвует в десятках реакций, катализируемых метил- трансферазами. Энзимы, катализирующие перенос альдегидных и кетогрупп, образуют подкласс 2.2. В нем представлены транскетолаза (ЕС 2.2.1.1) и транс- альдолаза (ЕС 2.2.1.2), участвующие в синтезе моно- и полисахаридов. Подкласс 2.3 ацетилтрансфераз объединяет Ф, которые катализируют такие важные биохимические процессы как перенос ацильных остатков. Коферментом, принимающим участие в большинстве реакций энзиматического ацилирования, является так называемый. Ацильные остатки связываются с СоАтиоэфирной связью, поэтому указанный кофермент иногда обозначают и как CoA-SH. Перенос ацильного остатка к CoA-SH осуществляется при окислительном де- карбоксилировании а-кетокислот. Далее образовавшийся CoA-SCOR ацилирует большое количество органических субстратов, например, фосфат глицерина. Ацилпроизводные последнего являются промежуточными продуктами в биосинтезе фосфолипидов и жиров: Эти реакции катализируют глицерофосфат ацилтрансфераза (ЕС 2.3.1.15) и 1-глицерофосфат ацилтрансфераза (ЕС 2.3.1.51). Роль СоА не ограничивается переносом ацильных групп. Многие превращения производных жирных кислот, такие как их окислительная деструкция, происходят не со свободными кислотами, а с их тиоэфира- ми на основе СоА. В четвертый подкласс 2.4 выделены гликозилтрансферазы, катализирующие перенос гликозильных остатков. Эти Ф играют ведущую роль в синтезе и первом этапе деструкции полисахаридов. Очень важной группой Ф являются аминотрансферазы или трансаминазы (2.6.1). Они катализируют реакции образования и деградации аминокислот. Например, Ф аланинаминотрансфераза уча- ствует в превращении пировиноградной кислоты (пирувата, 5.13) в а-кетоглутаровую (а-кетоглутарат, 5.14): Пиридоксальфосфат образует основание Шиффа (5.16) с е-амино- группой одного из остатков лизина (ароЕ). В присутствии специфичной для данного Ф аминокислоты происходит вытеснение пири- доксальфосфата с остатка лизина и образование нового основания Шиффа (5.17), за которым следует изомеризация в азометиновое производное пиридоксаминофосфата и а-кетокислоты (5.18). Гидролиз этого продукта сопровождается выделением а-кетокислоты и формированием комплекса ароЕ-пиридоксаминофосфат Присутствие в системе второй кетокислоты обеспечивает продолжение описанного каскада превращений. Все реакции в этой цепи являются обратимыми, и протекание их в обратном направлении приводит к переаминированию с регенерацией азометина (5.16). Один из самых больших подклассов трансфераз — 7-ой. К нему относят Ф, катализирующие перенос остатков фосфорной кислоты.
В большинстве случаев донором фосфата является АТФ. Такие энзимы принято называть киназами. Примером может служить аденил- аткиназа (ЕС 2.7.4.3), катализирующая превращение АМФ в АДФ. 5.1.3. Гидролазы Третий класс образуют гидролазы — Ф, катализирующие процессы гидролитического расщепления различных связей. Энзимы, обеспечивающие гидролиз эфиров карбоновых кислот, образуют первый подкласс 3.1, гидролиз гликозидных связей — подкласс 3.2, гидролиз простых эфиров и тиоэфиров — подкласс 3.3, гидролиз пептидных связей — подкласс 3.4, гидролиз связей C-N, не относящихся к пептидным, — подкласс 3.5 и т.д. Названия Ф образуются из названия расщепляемого субстрата с добавлением окончания -аза. Ф, гидроли- зующие внутренние пептидные связи в белках, называют протеазами, а катализирующие отщепление N-концевой аминокислоты — амино- пептидазами, отщепление С-концевой аминокислоты — карбокси- пептидазами, гидролиз нуклеиновых кислот — нуклеазами. Значительная часть гидролаз представлена пищеварительными ферментами (амилазы, липазы, фосфолипазы, пепсин и т. п.), с помощью которых поступающие с пищей полисахариды, жиры и протеины расщепляются соответственно до моносахаридов, глицерина и жирных кислот, пептидов и аминокислот. Последующая реутилизация образовавшихся мономеров в ходе анаболических процессов, протекающих согласно наследственным программам, приводит к построению новых биополимеров, присущих данному организму. Реакции гидролиза происходят не только в ПК, но и в таких органеллах эукариотических клеток как лизосомы (см. разд. 1). Про- теазы, располагающиеся в лизосомах, утилизируют макромолекулы, которые выполнили свою биологическую функцию и становятся ненужными на данном этапе жизнедеятельности клетки. Лизосомные протеазы не способны проникать в цитоплазму через мембрану, окружающую эти органеллы, к тому же они активны в слабокислой среде и неактивны в нейтральной, характерной для цитоплазмы. Таким образом, биополимеры остальных частей клетки защищены от деструкции протеолитическими Ф лизосом. Кроме утилизирующей роли следует подчеркнуть и такую функцию протеаз, как процессию белков и РНК.
Процессингом называют образование «зрелых» молекул белков из их синтетических предшественников. Многие протеины, которые реализуют свою активность вне пределов синтезирующей их клетки (некоторые Ф, гормоны, иммуноглобулины), секретируются этими клетками в виде пробелков. Предшественники Ф носят название зимогенов. Последние имеют на N-конце первичной полипептидной цепи специальную сигнальную последовательность, состоящую из 15—20 аминокислотных остатков. После отщепления этой сигнальной последовательности с помощью мембранных протеаз белок активируется не сразу, а по достижении им определенной мишени. Например, синтетический предшественник инсулина, секретируемый (3-клетками поджелудочной железы в виде препроинсулина, после отщепления сигнальной последовательности превращается в проинсулин. Проинсулин самопроизвольно принимает пространственную структуру, обеспечивающую сближение остатков цистеина и образование дисульфидных мостиков. После этого из полипептидной цепи выделяется С-пептид, и из проинсулина образуется инсулин. Системы протеаз обеспечивают течение таких важных физиологических процессов, как свертывание крови, регуляция АД, расщепление чужеродных антигенов после их связывания с антителом и др. Нарушение нормального функционирования какого-либо из перечисленных процессов влечет за собой развитие серьезных патологических состояний. В этой связи многие протеазы являются мишенями для БАВ. 5.1.4. Лиазы К четвертому классу Ф относятся лиазы. Они катализируют процессы негидролитического расщепления субстрата с образованием кратной связи (реже цикла), либо присоединения по такой связи. Рассматриваемые Ф классифицируются по типу разрываемой связи: Подкласс 4.1 образуют С-С-лиазы, подкласс 4.2 — С-О-лиазы, подкласс 4.3 — C-N-лиазы и т. д. Систематическое название складывается из названий расщепляемого субстрата* отщепляемого фрагмента и названия класса — лиаза. Ф подподкласса 4.1.1 катализируют отщепление С02 от карбоно- вых кислот, поэтому они получили групповое название декарбокси- лазы. Например, образующаяся при спиртовом брожении глюкозы пировиноградная кислота декарбоксилируется под действием пиру- ват декарбоксилазы с образованием уксусного альдегида: СН3СОСОО” —> снзсно + со2 Кофактором этого Ф выступает тиаминпирофосфат (5.20). Ферментативным пут
Добавить комментарий