Дисциплина : биохимия ( С 2. Б.4) Специальность : педиатрия ( ) НГМУ, кафедра медицинской химии Д. б. н., доцент Суменкова Дина Валерьевна Лекции : ЭНЗИМОЛОГИЯ

ЛЕКЦИЯ 2 КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ 2

Актуальность темы Номенклатура и классификация ферментов – « путеводитель » в мире ферментов, который позволяет определить тип катализируемой реакции и субстрат искомого фермента 3

План лекции Номенклатура ферментов Классы ферментов : характеристика структурных единиц классификатора ( классов, подклассов ) примеры ферментов 4

Цель Знать : принципы номенклатуры и классификации ферментов характеристику 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 IUBMB Номенклатура международного союза биохимии и молекулярной биологии (1961 г ) Название фермента : название субстрата ( или субстратов ) + тип реакции + аза ПРИМЕР : алкоголь : NAD + оксидоредуктаза ( алкогольдегидрогеназа ) 6

Номенклатура ферментов Протеаза Альдолаза Липаза Нуклеаза Тривиальные названия : пепсин, трипсин, ренин Название субстрата + аза 7

Классы ферментов 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, под подклассы Каждый фермент имеет кодовый номер 8

Что означает кодовый номер фермента ? КФ 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 + 9

Класс 1. Оксидоредуктазы тип реакций : окислительно - восстановительные подклассы и под подклассы характеризуют группу донора и вид акцептора акцепторы - коферменты : NAD +, NADP + (vit PP), FAD, FMN (vit B2) 10

Группы оксидоредуктаз Оксидазы Аэробные дегидрогеназы Анаэробные дегидрогеназы Оксигеназы Гидропероксидазы 11

Группы оксидоредуктаз : оксидазы тип реакций : дегидрирование ( отщепление водорода ) акцептор водорода: кислород продукт реакции: вода кофакторы: медь, железо ПРИМЕР: цитохромоксидаза электроны, высвобождаемые из молекул различных субстратов при их полном окислении в клетке, переносятся на кислород с образованием метаболический воды О 2 + 4Н е- 2Н 2 О Fe 3+ + e- Fe 2+ / Fe 2+ - e- Fe 3+ Cu 2+ + e- Cu 1+ / Cu 1+ - e- Cu 2+ 12

Группы оксидоредуктаз : аэробные дегидрогеназы тип реакций: дегидрирование акцептор водорода: кислород продукт реакции: Н 2 О 2 простетическая группа: FMN, FAD кофакторы: ионы металлов ПРИМЕР: ксантиноксидаза (FAD, Mo 2+, Fe 3+ ) ксантин + H 2 O + O 2 мочевая кислота + Н 2 О 2 ( реакция метаболизма пуриновых нуклеотидов ) 13

Группы оксидоредуктаз : анаэробные дегидрогеназы тип реакций : дегидрирование акцептор водорода: NAD +, NADP +, FMN, FAD 14

Группы оксидоредуктаз : оксигеназы тип реакций : включение кислорода в субстрат ( деоксигеназы и монооксигеназы ) монооксигеназы ( гидроксилазы ) – включение в субстрат 1 атома кислорода с образованием в субстрате - ОН, другой атом – восстанавливается до воды с участием ко субстрата как донора электронов 15

Монооксигеназы как ферменты микросомальной системы гидроксилирования ( МСГ ) цитохром Р содержащие монооксигеназы микросом печени – ферменты метаболизма ксенобиотиков ( например, лекарственных препаратов ) R- Н + О 2 + 2Fe 2+ ( Р -450) + 2H+ R - ОН + Н 2 О + 2Fe 3+ R-H – субстрат окисления ( ксенобиотик, гидрофобный ) R-OH – метаболит микросомального окисления ( гидрофильный за счет образования - ОН, что способствует его выведению из организма ) 16

Механизм работы электрон транспортной цепи МСГ 17

Механизм работы электрон транспортной цепи МСГ ( см. схему слайда 17) 18 (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 Fe 3+ O 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).

Группы оксидоредуктаз : гидропероксидазы субстрат : Н 2 О 2 продукт : Н 2 О ферменты : ГПО, каталаза Пример : глутатиопероксидаза ( ГПО ) кофермент - донор водорода : глутатион GS-H ( трипептид : γ - глутамил - цистеинол - глицин ) кофактор : селен Н 2 О 2 + 2GS-H 2Н 2 О + GSSG GS-H – восстановленный глутатион GSSG – окисленный глутатион Восстановление глутатиона после реакции обеспечивает глутатион редуктаза (донор водорода - NADPH) 19

Группы оксидоредуктаз : гидропероксидазы 20 Пример : каталаза « чемпион » катализа кофактор : гем (Fe 3+) роль : разложение перекиси водорода ( сильнейший окислитель ), образованной при действии аэробных дегидрогеназ 2 Н 2 О 2 2 Н 2 О + О 2 Чем отличается « работа » каталазы и ГПО ?

Оксидоредуктазы - антиоксиданты Антиоксиданты – ингибиторы свободно - радикального окисления 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 21

Класс 2. Трансферазы тип реакций : перенос функциональных групп с одного субстрата на другой подклассы характеризуют переносящую группу : аминотрансферазы метилтрансферазы фосфотрансферазы ( киназы ) и др. 22

Аминотрансферазы 23 Пример : аспартатаминотрансфераза Кофермент : пиридоксальфосфат (vit В 6)

Метилтрансферазы 24 SAM (S- аденозилметионин ) – активная форма метионина – донора CH3 Норадреналин - метилтрансфераза

Фосфотрансферазы ( киназы ) 25

Класс 3. Гидролазы тип реакций : гидролиз ( расщепление ковалентной связи с присоединением молекулы воды по месту разрыва ) Подклассы характеризуют тип гидролизуемой связи : пептидазы ( гидролиз пептидных связей ): пепсин, трипсин гликозидазы ( гидролиз гликозидных связей ): сахараза, лактаза, амилаза гидролазы эфирных связей : эстеразы, липазы, фосфатазы 26

Гидролаза эфирных связей карбоновых кислот 27

Класс 4. Лиазы типы реакций : 1) расщепление связей негидролитическим путем, 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) в реакции декарбоксилирования аминокислот участвует кофермент пиридоксальфосфат ( ПФ, vit B6) 28

Лиазы 29 2) отщепление простых молекул с образованием двойной связи в продукте, в одном направлении, и присоединение простых молекул по двойной связи – в другом направлении

Класс 5. Изомеразы тип реакций : внутримолекулярные превращения ( образование изомеров ) Подклассы : рацемазы ( внутримолекулярные превращения субстрата, имеющего один хиральный атом углерода, например, взаимопревращения L и D – изомеров ) и эпимеразы ( внутримолекулярные превращения субстратов, имеющих несколько хиральных атомов углерода ) цис - транс - изомеразы внутримолекулярные оксидоредуктазы ( окисление одной части молекулы с одновременным восстановлением другой) внутримолекулярные трансферазы 30

Внутримолекулярная трансфераза Внутримолекулярная оксидоредуктаза 31

Класс 6. Лигазы ( синтетазы ) 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 реакции синтеза сопряжены с затратой энергии АТФ или ГТФ !!! Не путать с синтезами ( представители лиаз, трансфераз и др.) 32

С - С лигазы 33 в реакции карбоксилирования участвует биотин (vit H)

С - N лигазы 34 Универсальная реакция обезвреживания аммиака в организме

C-S и C-O лигазы 35 Реакция активации жирной кислоты Реакция активации аминокислоты в момент трансляции

Задание для самостоятельной работы Используя материал слайдов 16,17,18 и материал учебника, объясните механизм работы и роль электрон транспортной цепи микросомального окисления субстратов в печени 2. Используя знания из курса химии, слайды 19,20,21, объясните понятие « свободно - радикальное окисление », « активные метаболиты кислорода », « антиоксиданты ». Назовите ферменты - антиоксиданты. Какие реакции они катализируют ? К какому классу ферментов они относятся ?

Задания для самоконтроля 37 Определите класс ферментов, катализирующих реакции : 2S (H2) + O2 2P + 2H2O S (H2) + O2 P + H2O2 (с участием FAD) S (H2) + NAD + P + NADH + H + S (H) + O2 + NADPH+H + P (OH) + H2O 2H2O 2H2O + O2 S1 + S2 (CH3) P1 (CH3) + P2

Задания для самоконтроля ( продолжение ) 38 S + H2O P1 + P2 S P1 + P2 S + H2O P (H-OH) S P (изомер S) S1 + S2 + ATP P (S1S2) + ADP + P i S1 + S2 + ATP P (S1S2) + AMP + P i

Задания для самоконтроля 39 Сравните 2 реакции с участием АТФ. Назовите роль АТФ в каждом случае и класс ферментов : S (OH) + ATP P (OPO3H2) + ADP S1 + S2 + ATP P (S1S2) + ADP + H3PO4 Сравните 2 реакции с участием воды и назовите класс ферментов : S + H2O P1 + P2 S + H2O P (H-OH)

Задания для самоконтроля 40 Объясните разницу между ферментами и назовите тип реакций ( класс ферментов ): Гидролаза Гидроксилаза Гидратаза Назовите класс ферментов и определите их субстрат : Лактатдегидрогеназа Глюкокиниза Глюкозо -6- фосфатаза Гистидиндекарбоксилаза Ацетилхолинэстераза Фосфоглюкомутаза Пируваткарбоксилаза Глутаминсинтетаза

Заключение 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. 41

Литература 1. Биохимия: учебник для вузов / Е. С. Северин - М.: ГЭОТАР- Медиа, с. 2. Биологическая химия с упражнениями и задачами: учебник / ред. С. Е. Северин. - М.: ГЭОТАР-Медиа, с. (С ; С. 552 обезвреживание ксенобиотиков при участии монооксигеназ микросом печени) 3. Биологическая химия: учебник для студентов медицинских вузов / А.Я. Николаев. – М.: Мед. информ. агенство, – 568 с. 42