Биологическая химия - часть 39

Таблица 4.5. Международная классификация ферментов

№

1

2

3

4

5

6

Класс

Оксидоредуктазы

Трансферазы

Гидролазы

Лиазы

Изомеразы

Лигазы (синтетазы)

Тип катализируемой реакции

Перенос электронов и протонов
Перенос групп атомов, отличных

от атомов водорода

Гидролиз различных связей (с участием

молекулы воды)
Образование двойных связей за счет

удаления групп или добавление групп

за счет разрыва двойных связей

Внутримолекулярный перенос групп

с образованием изомерных форм

Соединение двух молекул и образование

связей С—С, С—О, С—S и С—N,

сопряженных с разрывом пирофосфатной

связи АТФ

остатков, азотистых групп, остатков фосфорной и серной кислот и др.

Например: метил- и формилтрансферазы, ацетилтрансферазы, амино-

трансферазы, фосфотрансферазы и др.

Гидролазы. В класс гидролаз входит большая группа ферментов, ката-

лизирующих расщепление внутримолекулярных связей органических ве-

ществ при участии молекулы воды. Наименование их составляют по форме

«субстрат-гидролаза». К ним относятся: зстеразы – ферменты, катализи-

рующие реакции гидролиза и синтеза сложных эфиров; гликозидазы,

ускоряющие разрыв гликозидных связей; фосфатазы и пептидгидролазы,

катализирующие гидролиз фосфоангидридных и пептидных связей; ами-

дазы, ускоряющие разрыв амидных связей, отличных от пептидных, и др.

Лиазы. К классу лиаз относят ферменты, катализирующие разрыв связей

С—О, С—С, С—N и других, а также обратимые реакции отщепления

различных групп от субстратов не гидролитическим путем. Эти реакции

сопровождаются образованием двойной связи или присоединением групп

к месту разрыва двойной связи. Ферменты обозначают термином «суб-

страт-лиазы». Например, фумарат-гидратаза (систематическое название

«L-малат-гидролаза») катализирует обратимое отщепление молекулы

воды от яблочной кислоты с образованием фумаровой кислоты. В эту же

группу входят декарбоксилазы (карбокси-лиазы), амидин-лиазы и др.

Изомеразы. К классу изомераз относят ферменты, катализирующие

взаимопревращения оптических и геометрических изомеров. Системати-

ческое название их составляют с учетом типа реакции: «субстрат – цис-

транс-изомераза». Если изомеризация включает внутримолекулярный пе-

ренос группы, фермент получает название «мутаза».

К этому же классу относят рацемазы и эпимеразы, действующие на

амино- и оксикислоты, углеводы и их производные; внутримолекулярные

оксидоредуктазы, катализирующие взаимопревращения альдоз и кетоз;

внутримолекулярные трансферазы, переносящие ацильные, фосфорильные

и другие группы, и т.д.

Лигазы (синтетазы). К классу лигаз относят ферменты, катализирующие

синтез органических веществ из двух исходных молекул с использованием

161

энергии распада АТФ (или другого нуклеозидтрифосфата). Системати-

ческое название их составляют по форме «X : Y лигаза», где X и Y обозна-

чают исходные вещества. В качестве примера можно назвать L-глутамат:

аммиак лигазу (рекомендуемое сокращенное название «глутаминсинтета-

за»), при участии которой из глутаминовой кислоты и аммиака в при-

сутствии АТФ синтезируется глутамин.

СПИСОК ФЕРМЕНТОВ

На основании разработанной системы, которая служит основой как для

классификации, так и для нумерации (индексации) ферментов, Между-

народная комиссия подготовила также Классификацию ферментов (КФ)

с включением списка ферментов, первоначально состоявшего к 1961 г.

примерно из 900 ферментов. В списке ферментов (см. Номенклатуру

ферментов, 1978) насчитывалось уже 2142 индивидуальных фермента, к де-

кабрю 1995 г. их идентифицировано более 3500. В списке для каждого

фермента, помимо кодового номера (шифра), приводятся систематическое

(рациональное) название, рекомендуемое (рабочее) название, химическая

реакция, которую катализирует данный фермент, а также примечания

о специфичности действия. Номер каждому ферменту рекомендуется при-

сваивать по четырехзначному коду.

Таким образом, код  к а ж д о г о  ф е р м е н т а содержит четыре цифры,

разделенные точками, и составляется по определенному принципу. Первая

цифра указывает номер одного из шести главных классов ферментов.

Вторая цифра означает подкласс, характеризующий основные виды суб-

стратов, участвующих в данном типе химических превращений. Например,

у трансфераз вторая цифра указывает на природу той группы, которая

подвергается переносу, у гидролаз – на тип гидролизуемой связи и т.д. Эти

подклассы в свою очередь делятся на более частные подгруппы (подпод-

классы), отличающиеся природой химических соединений доноров или

акцепторов, участвующих в данной подгруппе реакций. Номер (цифра)

подподкласса ставят на 3-е место в шифре фермента. У гидролаз, например,

эта цифра уточняет тип гидролизуемой связи, а у лиаз – тип отщепляемой

группы и т.д. Первые 3 цифры кода точно определяют тип фермента.

Наконец, все ферменты, относящиеся к данному подподклассу, получают

порядковый номер в алфавитном порядке, который ставят на 4-е место

в шифре.

Таблица 4.6. Фрагмент из списка ферментов

Шифр

КФ 1.1.1.27

КФ 2.6.1.5

Рекомендуе-

мое (рабочее)

название

Лактатдегид-

рогеназа

Тирозинами-

нотрансфера-

за

Реакция

L-лактат +

+ НАД

+

 = пи-

руват + НАДН

2

L-Тирозин +

+ 2-оксоглута-

рат = 4-окси-

фенилпируват

+ L-глутамат

Системати-

ческое название

L-лактат:

НАД

+

-окси-

доредуктаза

L-тирозин: 2-ок-

соглутарат ами-

нотрансфераза

Примечания о спе-

цифичности и другие

зависимости

Окисляет и другие

оксимонокарбоно-

вые кислоты

Протеин пиридо-

ксальфосфата. Фе-

нилаланин может

действовать вместо

тирозина

162

Каждый фермент, характеризующийся постоянной совокупностью 4

цифр, имеет соответствующий код, под которым он внесен в список

ферментов. В качестве примера в табл. 4.6 приведены 2 фермента из списка.

Следует особо отметить, что Международную классификацию фермен-

тов нельзя считать абсолютно совершенной, поскольку она в некоторых

отношениях не соответствует общепринятой в органической химии клас-

сификации химических реакций, несмотря на то что ферменты катали-

зируют по существу те же реакции.

ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ

Обладая высокой степенью избирательности, ферменты используются жи-

выми организмами для осуществления с высокой скоростью огромного

разнообразия химических реакций; они сохраняют свою активность не

только в микропространстве клетки, но и вне организма. Ферменты нашли

широкое применение в таких отраслях промышленности, как хлебопечение,

пивоварение, виноделие, чайное, кожевенное и меховое производства, сыро-

варение, кулинария (для обработки мяса) и т.д. В последние годы ферменты

стали применять в тонкой химической индустрии для осуществления таких

реакций органической химии, как окисление, восстановление, дезамини-

рование, декарбоксилирование, дегидратация, конденсация, а также для

разделения и выделения изомеров аминокислот L-ряда (при химическом

синтезе образуются рацемические смеси L- и D-изомеров), которые ис-

пользуют в промышленности, сельском хозяйстве, медицине. Овладение

тонкими механизмами действия ферментов, несомненно, предоставит неог-

раниченные возможности получения в огромных количествах и с большой

скоростью полезных веществ в лабораторных условиях почти со 100%

выходом.

В настоящее время развивается новая отрасль науки – промышленная

энзимология, являющаяся основой биотехнологии. Фермент, ковалентно

присоединенный («пришитый») к любому органическому или неорганиче-

скому полимерному носителю (матрице), называют и м моб илизован-

ным. Техника иммобилизации ферментов допускает решение ряда клю-

чевых вопросов энзимологии: обеспечение высокой специфичности действия

ферментов и повышения их стабильности, простоту в обращении, воз-

можность повторного использования, применение их в синтетических реак-

циях в потоке. Применение подобной техники в промышленности получило

название  и н ж е н е р н о й  э н з и м о л о г и и . Ряд примеров свидетельствует об

огромных возможностях инженерной энзимологии в различных областях

промышленности, медицины, сельского хозяйства. В частности, иммоби-

лизованную β-галактозидазу, присоединенную к магнитному стержню-

мешалке, используют для снижения содержания молочного сахара в мо-

локе, т.е. продукта, который не расщепляется в организме больного

ребенка с наследственной непереносимостью лактозы. Обработанное таким

образом молоко, кроме того, хранится в замороженном состоянии зна-

чительно дольше и не подвергается загустеванию.

Разработаны проекты получения пищевых продуктов из целлюлозы,

превращения ее с помощью иммобилизованных ферментов – целлюлаз – в

глюкозу, которую можно превратить в пищевой продукт – крахмал. С по-

мощью ферментной технологии в принципе можно также получить про-

дукты питания, в частности углеводы, из жидкого горючего (нефти),

расщепив его до глицеральдегида, и далее при участии ферментов синте-

зировать из него глюкозу и крахмал. Несомненно, имеет большое будущее

163

моделирование при помощи инженерной энзимологии процесса фотосин-

теза, т.е. природного процесса фиксации СО

2

; помимо иммобилизации,

этот жизненно важный для всего человечества процесс потребует разра-

ботки новых оригинальных подходов и применения ряда специфических

иммобилизованных коферментов.

В качестве примера иммобилизации ферментов и использования их

в промышленности приводим схему непрерывного процесса получения

аминокислоты аланина и регенерации кофермента (в частности, НАД)

в модельной системе. В этой системе исходный субстрат (молочная кисло-

та) подается при помощи насоса в камеру-реактор, содержащий иммо-

билизованные на декстране НАД

+

 и две НАД-зависимые дегидрогеназы:

лактат- и аланиндегидрогеназы; с противоположного конца реактора про-

дукт реакции – аланин – удаляется с заданной скоростью методом ультра-

фильтрации.

Подобные реакторы нашли применение в фармацевтической промыш-

ленности, например при синтезе из гидрокортизона антиревматоидного

препарата преднизолона. Кроме того, они могут служить моделью для

применения с целью синтеза и получения незаменимых факторов, поскольку

при помощи иммобилизованных ферментов и коферментов можно на-

правленно осуществлять сопряженные химические реакции (включая био-

синтез незаменимых метаболитов), устраняя тем самым недостаток в ве-

ществах при наследственных пороках обмена. Таким образом, при помощи

нового методологического подхода наука делает свои первые шаги в об-

ласти «синтетической биохимии».

Не менее важными направлениями исследований являются иммоби-

лизация клеток и создание методами генотехники (генного инженерного

конструирования) промышленных штаммов микроорганизмов – продуцен-

тов витаминов и незаменимых аминокислот. В качестве примера меди-

цинского применения достижений биотехнологии можно привести иммо-

билизацию клеток щитовидной железы для определения тиреотропного

гормона в биологических жидкостях или тканевых экстрактах. На оче-

реди – создание биотехнологического способа получения некалорийных сла-

стей, т.е. пищевых заменителей сахара, которые могут создавать ощущение

сладости, не будучи высококалорийными. Одно из подобных перспектив-

ных веществ – аспартам, который представляет собой метиловый эфир

дипептида – аспартилфенилаланина (см. ранее). Аспартам почти в 300 раз

слаще сахара, безвреден и в организме расщепляется на естественно

встречающиеся свободные аминокислоты: аспарагиновую кислоту (аспар-

тат) и фенилаланин. Аспартам, несомненно, найдет широкое применение

164

Лактатдегидрогеназа

Молочная

кислота

Пируват

Аланин

Аланиндегидрогеназа

Декстран-

-НАД

+

Декстран-

-НАДН

 + Н

+

Н

2

О