Номенклатура и классификация ферментов

Ферментология очень долго не располагала строго научной номенклатурой ферментов. Наименования ферментам давали по случайным признакам (тривиальная номенклатура), по названию субстрата (рациональная), по химическому составу фермента, наконец, по типу катализируемой реакции и характеру субстрата.

Примерами тривиальной номенклатуры могут служить названия таких ферментов, как пепсин (от греч. пепсис - пищеварение), трипсин (от греч. трипсис - разжижаю) и папаин (от названия дынного дерева Carica papaja, из сока которого он выделен).

Согласно современной номенклатуре название ферментов составляют из химического названия субстрата и названия той реакции, которая осуществляется ферментом. Если химическая реакция, ускоряемая ферментом, сопровождается переносом группировки атомов от субстрата к акцептору, название фермента включает также химическое наименование акцептора. Все ферменты имеют окончание «аза», прибавленное к названию субстрата.

Например, пируват - декарбоксил - аза, сукцинат - дегидроген - аза

Классификация ферментов.

В принятой классификации ферменты объединены в группы по типу важнейших биохимических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности любого организма. По этому принципу все ферменты делят на 6 классов.

1. Оксидоредуктазы - ускоряют реакции окисления - восстановления.

2. Трансферазы - ускоряют реакции переноса функциональных групп и молекулярных остатков.

3. Гидролазы - ускоряют реакции гидролитического распада.

4. Лиазы - ускоряют негидролитическое отщепление от субстратов определенных групп атомов с образованием двойной связи (или присоединяют группы атомов по двойной связи).

5. Изомеразы - ускоряют пространственные или структурные перестройки в пределах одной молекулы.

6. Лигазы - ускоряют реакции синтеза, сопряженные с распадом богатых энергией связей.

7. Эти классы и положены в основу новой научной классификации ферментов.

Каждому ферменту присваивается индивидуальный номер (шифр). Например, шифр уреазы выражается цифрами 3.5.1.5. Это означает, что уреаза относится к 3-му классу (первая цифра) ферментов, все представители которого катализируют реакции гидролиза. Вторая цифра (5) говорит о том, что уреаза принадлежит к 5-му подклассу этого класса, куда зачислены все ферменты, ускоряющие гидролиз С - N-связей, не являющихся пептидными. Третья цифра шифра (1) указывает на принадлежность уреазы к подподклассу 5-го подкласса, члены которого ускоряют гидролиз линейных амидов, а последняя цифра (5) - порядковый номер уреазы в этом подподклассе.

Таким образом, шифр абсолютно точно указывает место фермента в общем списке. В настоящее время принято в научных публикациях при первом упоминании фермента указывать в скобках его шифр.

4. Локализация ферментов в клетке

В клеточном содержимом ферменты распределены не хаотически, а строго упорядоченно. С современной точки зрения клетка представляется высокоорганизованной системой, в отдельных частях которой осуществляются строго определенные биохимические процессы. В соответствии с приуроченностью их к определенным субклеточным частицам или отсекам (компартментам) клетки в них локализованы те или иные индивидуальные ферменты, мультиэнзимные комплексы, полифункциональные ферменты или сложнейшие метаболоны.

Разнообразные гидролазы и лиазы сосредоточены преимущественно в лизосомах. Внутри этих сравнительно небольших (несколько нанометров в диаметре) пузырьков, ограниченных мембраной от гиалоплазмы клетки, протекают процессы деструкции различных органических соединений до тех простейших структурных единиц, из которых они построены.

Сложные ансамбли окислительно-восстановительных ферментов, такие, например, как цитохромная система, находятся в митохондриях. В этих же субклеточных частицах локализован набор ферментов цикла дикарбоновых и трикарбоновых кислот. Ферменты активирования аминокислот распределены в гиалоплазме, но они же есть и в ядре. В гиалоплазме присутствуют многочисленные метаболоны гликолиза, структурно объединенные с таковыми пентозофосфатного цикла, что обеспечивает взаимопереключение дихотомического и апотомического путей распада углеводов.

В то же время ферменты, ускоряющие перенос аминокислотных остатков на растущий конец полипептидной цепи и катализирующие некоторые другие реакции в процессе биосинтеза белка, сосредоточены в рибосомальном аппарате клетки. Нуклеотидилтрансферазы, ускоряющие реакцию переноса нуклеотидных остатков при новообразовании нуклеиновых кислот, локализованы в основном в ядерном аппарате клетки. Таким образом, системы ферментов, сосредоточенные в тех или иных структурах, участвуют в осуществлении отдельных циклов реакций. Будучи тонко координированы друг с другом, эти отдельные циклы реакций обеспечивают жизнедеятельность клеток, органов, тканей и организма в целом.

ЭНЗИМОЛОГИЯ – МЕДИЦИНЕ

Нарушения структуры какого-либо фермента, ведущие к снижению его активности, приводят к нарушению метаболических путей, в которых участвует этот фермент. Такие нарушения почти всегда проявляются как болезни.

Повреждения ферментов бывают двух типов: наследственные дефекты строения фермента и повреждения, вызванные попадающими в организм токсическими веществами, ингибирующими фермент.

Нарушение синтеза фермента может привести к энзимопатиям, при которых недостаток одного фермента в метаболическом пути может вызвать нарушение образования конечного продукта. В силу взаимозависимости метаболических путей дефект одного фермента часто приводит к целому ряду нарушений в обмене веществ. Если фермент полностью отсутствует, то цепь реакций в таком месте разрывается. Существует вероятность, что избыточно накопленный субстрат может перейти на побочный путь метаболизма с образованием необычного и часто токсичного вещества.

Отдельные примеры энзимопатий (дисахаридозы, гликогенозы, агликогенозы, фенилпировиноградная олигофрения) будут рассмотрены при изучении следующих разделов.

Некоторые ферменты применяют как лечебные препараты:

— при их отсутствии или недостатке (наследственном или приобретенном), например, ферменты пищеварительного тракта (пепсин, трипсин, липаза) входят в состав лекарств, улучшающих переваривание;

— для специфического разрушения некоторых продуктов обмена (например, мочевины), тромбов, участков омертвевшей ткани на ранах.

Ферменты используют в клинико-диагностических лабораториях для измерения в крови концентрации глюкозы, жира, холестерина, активных форм кислорода и других веществ.

Такой анализ занимает несколько минут, при этом используется всего 10 мкл плазмы крови.

Для анализа часто используют иммобилизованные ферменты, которые искусственно связаны с нерастворимым в воде носителем, что повышает их стабильность.

В клинических лабораториях применяют готовые наборы реактивов, в состав которых входят ферменты, составляющие буфер соли, а также кофакторы. При использовании иммобилизованных ферментов для определения концентрации компонента крови достаточно нанести образец сыворотки на индикаторную пластинку и сравнить интенсивность окраски с эталоном.

В табл. 2 представлены основные направления и некоторые примеры использования ферментов в медицине.

В основе энзимодиагностики лежат следующие особенности состава и распределения фермент организме человека:

— Состав ферментов и их тканевое распределение у взрослого человека в основном постоянны, но могут измениться при болезнях.

— Для каждой ткани (органа) характерен свой качественный и количественный состав белков, что определяет функциональные особенности каждой ткани.

— Однако метаболические пути в разных тканей очень похожи, и есть лишь несколько тканеспецифических ферментов (например, кислая фосфатаза предстательной железы и гистидаза печени)

— Более специфичным для тканей является соотношение разных ферментов и изоферментов.

Почти все ферменты организма функционируют внутриклеточно. Исключение составляют пример, ферменты пищеварительного тракта, также ферменты свертывающей системы и ферменты межклеточного матрикса.

При повреждении тканей внутриклеточные ( появляются в сыворотке крови. Обнаружение тканеспецифических ферментов, специфических изоферментов или характерное количественное увеличение активности неспецифических ферментов воротке могут помочь поставить и уточнить диагноз.

Таблица 2. Применение ферментов в медицине.

Область применения	Фермент	Примеры использования
Диагностика	Лактатдегидрогеназа (изофермент ЛДГ-1)	Инфаркт миокарда
	Аспартатаминотрансфераза	Инфаркт миокарда
	Аланинаминотрансфераза	Заболевания печени (например, гепатит), инфаркт миокарда
	 - амилаза	Заболевания поджелудочной железы
Лечение	Гиалуронидаза	Рассасывание рубцов
	Нуклеазы	Ринит, гнойный бронхит
	Аспарагиназа	Лечение некоторых злокачественных образований
Использование ферментов в качестве аналитических реактивов	Глюкозооксидаза	Определение концентрации глюкозы в крови
	Холестеролоксидаза	Определение холестерина в крови
	Липаза	Определение триацилглицеринов в крови
	Уреаза	Определение мочевины в крови

Литература:

Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами /под редакцией Е. С. Северина и А.Я. Николаева – М.:ГЭОТАР-МЕД, 2001.- 448 с. 2. Гринстейн Б., Гринстейн А. Наглядная биохимия: Пер. с англ. – М.:ГЭОТАР-МЕД, 2000.- 119 с.- («Экзамен на отлично»); Бышевский А. Ш., Терсенов О. А. Биохимия для врача // Екатеринбург: Уральский рабочий, 1994, 384 с.;