Лекции: ЭНЗИМОЛОГИЯ

Дина Валерьевна

Лекции: ЭНЗИМОЛОГИЯ

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!

Значительно повышается активность
аспартат- и аланинаминотрансфераз,
креатинкиназы, лактатдегидрогеназы

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

Название фермента:
название субстрата (или субстратов) + тип реакции + аза
ПРИМЕР:
алкоголь:

NAD+ оксидоредуктаза (алкогольдегидрогеназа)

2. Субстрат + аза

Карбоксипептидаза
Амилаза (amylum – крахмал)
Липаза
РНКаза
Альдолаза
Енолаза


Ферменты, катализирующие реакции расщепления

связей:
гидролазы,
лиазы (альдолаза, енолаза)

по номенклатуре: гомоцистеин метилтрансфер аза
Синтазы встречаются и среди ферментов других

классов (например, лиазы – уропорфириногенсинтаза)

Ферменты, катализирующие реакции переноса группы атомов с одного субстрата на другой (трансферазы)

синтетаза
Ферменты, катализирующие реакции образования ковалентных связей между двумя субстратами (лигазы,

или синтетазы)

каталитическая специфичность)
6 КЛАССОВ ФЕРМЕНТОВ :
1. Оксидоредуктазы
2. Трансферазы
3. Гидролазы
4. Лиазы
5. Изомеразы
6.

Лигазы
Классы делят на подклассы, подподклассы
Каждый фермент имеет кодовый номер

- 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

CH3 CH2OH + NAD+ ↔ CH3CHO + NADH + H+

коферменты (если есть)
Как складывается название ферментов данного класса
Пример фермента и

реакции
Роль названной реакции в обмене веществ

с одного субстрата на другой)
Подклассы и подподклассы характеризуют группу донора

и вид акцептора
акцепторы-коферменты: NAD+ , NADP + (vit PP), FAD, FMN (vit B2)

и протонов (атома водорода), переносимых с окисляемого субстрата
Оксидазы
Аэробные дегидрогеназы
О2 –

встраивается в субстрат, окисляя его (меняя степень окисления атома С)
Оксигеназы: моно- и диоксигеназы
Реакции без участия О2
Роль акцептора выполняют другие вещества или коферменты NAD, NADP (производные вит. РР, или В3), реже FAD, FMN (производные вит. В2)
Анаэробные дегидрогеназы
Реакции с участием Н2О2 как окислителя
Гидропероксидазы (Н2О2 превращается в воду)

есть не на подклассы). В одной группе могут быть ферменты

разных подклассов.
Оксидазы
Аэробные дегидрогеназы
Оксигеназы
Анаэробные дегидрогеназы
Гидропероксидазы

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
О2 + 4Н+ + 4 е- → 2Н2О
Fe 3+ + e- → Fe2+ / Fe 2+ - e- → Fe3+
Cu 2+ + e- → Cu 1+ / Cu 1+ - e- → Cu 2+

FMN, FAD (производные вит. В2 - 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, Mo2+, Fe3+)
ксантин + O2 + H2O → мочевая кислота + Н2О2
(реакция катаболизма пуриновых нуклеотидов)

(производные вит. РР, или В3 – никотиновой кислоты)
реже FMN, FAD

(производные вит. В2 – рибофлавина)
Образуются восстановленные формы коферментов – NADH+H+, NADPH+H+, FADH2, FMNH2
«Рабочей частью» коферментов, принимающей электроны и протоны, являются витамины
Название: субстрат + дегидрогеназа или редуктаза
ПРИМЕР: алкогольдегидрогеназа, глутатионредуктаза
Название «субстрат+дегидрогеназа» подчеркивает важную роль процесса окисления субстрата
Название «субстрат+редуктаза» подчеркивает важную роль процесса восстановления субстрата

(диоксигеназы 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 косубстрата как донора Н2 (обычно это NADPH+H+)
Название монооксигеназ: субстрат + гидроксилаза или монооксигеназа
ПРИМЕР: фенилаланингидроксилаза (реакция окисления фенилаланина с образованием тирозина)
Название диоксигеназ: диоксигеназа + субстрат
ПРИМЕР: диоксигеназа гомогентизиновой кислоты (реакция катаболизма тирозина)

необходимой для синтеза тиреоидных гормонов, катехоламинов, меланина.
Окисление холестерина с образованием

желчных кислот, необходимых для усвоения пищевого жира.
Окисление холекальциферола (витамина Д3) 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.

печени – ферменты метаболизма ксенобиотиков (например, лекарственных препаратов)

R-Н + О2

+ цитохром Р-450 (Fe 3+) + NADPH + H+ →
R-ОН + Н2О + 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 Н2О.

в активном центре цитохрома Р450 вещества RH активирует восстановление железа

в геме - присоединяется первый электрон (2). Изменение валентности железа увеличивает сродство комплекса P450-Fe2+·RH к молекуле кислорода (3). Появление в центре связывания цитохрома Р450 молекулы О2 ускоряет присоединение второго электрона и образование комплекса P450-Fe2+O2--RH (4).
На следующем этапе (5) Fe2+ окисляется, второй электрон присоединяется к молекуле кислорода P450-Fe3+O22-. Восстановленный атом кислорода (О2-) 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).

на Н2О2 с образованием Н2О
Кофакторы: железо, селен
Пример: глутатиопероксидаза (ГПО)
Реакция необходима

для восстановления (обезвреживания) сильного окислителя (Н2О2), способного запускать процессы ПОЛ, окислительной модификации белков и нуклеиновых кислот в клетке
Кофермент-донор водорода: глутатион GSH (трипептид: γ-глутамил-цистеинил-глицин)
Кофактор: селен
Н2О2 + 2GSH → 2Н2О + GSSG
GSH – восстановленный глутатион (SH - группы цистеина)
GSSG – окисленный глутатион
Восстановление глутатиона после реакции обеспечивает глутатион редуктаза (донор водорода – NADPH+Н+)

ферментов)
Кофактор: гем (Fe 3+)

2Н2О2 → 2Н2О + О2
Чем

отличается «работа» каталазы и ГПО?

окисления липидов, окислительной модификации белков и нуклеиновых кислот) под действием

активных метаболитов кислорода
Активные метаболиты кислорода – окислители (НО•, Н2О2 , О2·- )
Ферменты-антиоксиданты: каталаза, ГПО, СОД
Супероксиддисмутаза (СОД)
О2·- + О2·- + 2Н+ → Н2О2 + О2
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

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:
аланинаминотрансфераза (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 + синтаза
Примеры см. на слайде 8

(из аминокислоты) и другой аминокислоты (из кетокислоты).
Кофермент: пиридоксальфосфат (производное

вит. В6, пиридоксина). Витамин принимает и передает аминогруппу.

Пример: аспартатаминотрансфераза

- АТФ
Норадреналин-метилтрансфераза

может выйти из клетки

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)

негидролитическим путем и отщепление простых молекул (СО2, Н2О, NH2, SH2).
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 -СН2-СООН с отщеплением СО2 )
гистидиндекарбоксилаза

вит. B6, пиридоксина
При декарбоксилировании аминокислот образуются биогенные амины
Гистамин участвует в

развитии воспалительной, аллергической реакций, «запускает» синтез соляной кислоты в желудке

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

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

для синтеза АТФ

(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 синтазами (это представители трансфераз и некоторых других классов)

кофермент биоцитин, производное вит. H, или В7, биотина.
Это ключевая реакция

в синтезе глюкозы, а также реакция-поставщик оксалоацетата для цикла Кребса – процесса энергетического обмена

момент трансляции

объясните роль реакций гидроксилирования и механизм работы электронтранспортной 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?

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

→ 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

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)

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, глутатионредуктаза, ксантиноксидаза, глутатионпероксидаза
Глюкокиниза, аланинаминотрансфераза
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.

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.

М.: ГЭОТАР-Медиа, 2014. -768 с.
2. Биологическая химия с упражнениями и

задачами: учебник / ред. С. Е. Северин. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 624 с. (С.73-76; С. 552 обезвреживание ксенобиотиков при участии монооксигеназ микросом печени)
3. Биологическая химия: учебник для студентов медицинских вузов / А.Я. Николаев. – М.: Мед. информ. агенство, 2007. – 568 с.