Дисциплина : биохимия ( Б 1. Б.15) 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 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 аланин аминотрансфераз, креатинкиназы, лактатдегидрогеназы

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 : исключения из правила Исключение 1. Тривиальные названия : пепсин, трипсин, ренин Исключение 2. Субстрат + аза Карбоксипептидаза Амилаза (amylum – крахмал) Липаза РНКаза Альдолаза Енолаза Ферменты, катализирующие реакции расщепления связей : гидролазы, лиазы ( альдолаза, енолаза ) 7

Номенклатура ферментов : исключения из правила 8 Исключение 3. Продукт + синтеза Метионинсинтеза Тимидилатсинтеза Цитратсинтеза Аминолевулинатсинтеза Название метионинсинтазы по номенклатуре : гомоцистеин метил трансфераза Синтазы встречаются и среди ферментов других классов ( например, лиазы – уропорфириногенсинтеза ) Ферменты, катализирующие реакции переноса группы атомов с одного субстрата на другой ( трансферазы )

Номенклатура ферментов : исключения из правила 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 )

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 10

Что означает код фермента ( КФ )? 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 + 11

Характеристика классов ферментов Что нужно знать ? 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

Класс 1. Оксидоредуктазы Тип реакций : окислительно - восстановительные ( перенос электронов ( и протонов водорода ) с одного субстрата на другой ) Подклассы и под подклассы характеризуют группу донора и вид акцептора акцепторы - коферменты : NAD +, NADP + (vit PP), FAD, FMN (vit B2) 13

Оксидоредуктазы 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 деоксигеназы 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 )

Группы оксидоредуктаз 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

Оксидоредуктазы : Оксидазы 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 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

Оксидоредуктазы : Аэробные дегидрогеназы Тип реакций: дегидрирование Акцептор 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

Оксидоредуктазы : Анаэробные дегидрогеназы 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, глютатионредуктаза Название «субстрат+дегидрогеназа» подчеркивает важную роль процесса окисления субстрата Название «субстрат+редуктаза» подчеркивает важную роль процесса восстановления субстрата 18

Оксидоредуктазы : Анаэробные дегидрогеназы 19 Ферменты цикла Кребса – метаболического процесса энергетического обмена

Оксидоредуктазы : Оксигеназы Тип реакций : окисление субстрата путем включения кислорода в субстрат ( деоксигеназы 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 ко субстрата как донора Н 2 ( обычно это NADPH+H + ) Название монооксигеназ : субстрат + гидроксилаза или монооксигеназа ПРИМЕР: фенилаланингидроксилаза (реакция окисления фенилаланина с образованием тирозина) Название деоксигеназ : деоксигеназа + субстрат ПРИМЕР: деоксигеназа гомогентизиновой кислоты (реакция катаболизма тирозина) 20

Оксидоредуктазы : Оксигеназы 21

Роль монооксигеназных реакций 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.

Монооксигеназы как ферменты микросомальной системы гидроксилирования ( МСГ ) цитохром Р 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

Механизм работы электрон транспортной цепи МСГ 24

Механизм работы электрон транспортной цепи МСГ ( см. схему слайда 22) 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 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).

Оксидоредуктазы : Гидропероксидазы 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 + 2GSH 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

Оксидоредуктазы : Гидропероксидазы 27 Пример : каталаза « Чемпион » в мире катализа ( один из самых « быстрых » ферментов ) Кофактор : гем (Fe 3+ ) 2 Н 2 О 2 2 Н 2 О + О 2 Чем отличается « работа » каталазы и ГПО ?

Оксидоредуктазы - антиоксиданты 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

Класс 2. Трансферазы 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 : аланин аминотрансфераза ( 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 + синтеза Примеры см. на слайде 8 29

Аминотрансферазы 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

Метилтрансферазы 31 SAM (S- аденозилметионин ) – активная форма метионина – донора CH 3 Источник аденозила - АТФ Норадреналин - метилтрансфераза

Фосфотрансферазы ( киназы ) 32 Это реакция – « ловушка » глюкозы в клетке, т. к. глюкозо -6- фосфат не может выйти из клетки

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 ) 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

Гидролаза эфирных связей карбоновых кислот 34

Класс 4. Лиазы 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

Лиазы : декарбоксилазы 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

Лиазы 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

Класс 5. Изомеразы 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) Название: субстрат + изомераза Внутримолекулярные трансферазы ( мутазы ) Название : субстрат + мутаза 38

Внутримолекулярная трансфераза ( А ) Внутримолекулярная оксидоредуктаза ( Б ) 39 А Б Это реакции гликолиза – окисления глюкозы для синтеза АТФ

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 : 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 синтезами ( это представители трансфераз и некоторых других классов ) 40

С - С лигазы, образующие СООН 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

С - N лигазы 42 Название : продукт + синтетаза Универсальная реакция обезвреживания аммиака

C-S и C-O лигазы 43 Реакция активации жирной кислоты Реакция активации аминокислоты в момент трансляции

Задание для самостоятельной работы Используя материал слайдов 22-25, учебник, интернет - ресурсы объясните роль реакций гидроксилирования и механизм работы электрон транспортной 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 ?

Задания для самоконтроля 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

Задания для самоконтроля ( продолжение ) 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) + AMP + H4P2O7

Задания для самоконтроля 47 Задание 2. Сравните 2 реакции с участием АТФ. Назовите роль АТФ в каждом случае и класс ферментов : S (OH) + ATP S (OPO3H2) + 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)

Задания для самоконтроля 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 : Лактатдегидрогеназа, глютатионредуктаза, ксантиноксидаза, глутатионпероксидаза Глюкокиниза, аланин аминотрансфераза Глюкозо -6- фосфатаза, ацетилхолинэстераза, ТАГ - липаза Гистидиндекарбоксилаза, сериндегидратаза, фумаратгидратаза Фосфоглюкомутаза, фосфоглюкоизомераза Пируваткарбоксилаза, глутаминсинтетаза Задание 5. Охарактеризуйте реакции, катализируемые ферментами энзимодиагностики инфаркта миокарда ( см. слайд « Актуальность темы »). Назовите субстраты, продукты, класс.

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. 49

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. 50