ий центр фермента; с—субстратный центр фермента; /—взаимодействие фермента с субстратом; полного совпадения конфигураций субстратного центра фермента и субстрата нет, вследствие чего нет тесного контакта между ферментом и субстратом; активность фермента далека от максимума; II—в результате взаимодействия фермента с алло-стерическим стимулятором каталитический центр сближается с субстратным, причем последний приобретает форму, полностью совпадающую с таковой субстрата; вследствие этого образуется полноценный фермент-субстратный комплекс; активность фермента максимальна; III—взаимодействие фермента с аллостеричсским ингибитором сопровождается деформацией субстратного центра, к которому становится невозможным присоединение субстрата; фермент не проявляет активности; IV—к субстратному центру фермента присоединяется конкурентный ингибитор; активность фермента подавлена, так как образование фермент-субстратного комплекса невозможно

в состав простатической группы фермента, в других—облегчают образование фермент-субстратного комплекса, в третьих—способствуют присоединению кофермента к апоферменту, в четвертых—обеспечивают становление четвертичной структуры фермента или же действуют иными путями. Как выяснено в последнее время, мощное действие на ферменты оказывают аллостерические активаторы. Они присоединяются по аллостерическому центру фермента и изменяют третичную структуру белковой молекулы. В результате этого субстратный и каталитический центры фермента приобретают наиболее выгодную для осуществления своих функций конфигурацию (рис. 51, //).

Ингибиторы тормозят действие ферментов. Механизм ингибирующего действия разнообразен, но в большинстве сводится к двум типам торможения: необратимому и обратимому. При необратимом торможении ингибитор, обладающий структурным сходством (изостерией) с субстратом, соединяется с ферментом, подменяя собой субстрат. Наиболее ярким примером такого типа торможения является угнетение действия холинэстеразы при помощи диизопропилфторфосфата, который структурно весьма близок к ацетилхолину и, являясь псевдосубстратом, легко присоединяется вместо него к ферменту:

HaCv {" /СН,

СН-О—Р-О-СН

гцс/ I N:h,

Д)ШЮ1аропш1фторфосфят

Диизопропилфторфосфат блокирует активный центр холинэстеразы, фос-форилируя радикал серина (см. рис. 47). Так как образовавшийся диизо-пропилфосфосерин гораздо прочнее ацетилсерина и распадается очень медленно, активный центр фермента надолго выводится из строя. Это и аналогичные ему соединения образуют большую группу так называемых нервных ядов, ибо, приостанавливая гидролиз ацетилхолина, они резко нарушают деятельность нервной системы. Среди них широко известны многочисленные инсектициды и боевые отравляющие вещества.

При необратимом ингибировании фермента ингибитор может не обладать структурным сходством с субстратом, т. е. может модифицировать фермент вне его активного центра, тем не менее резко изменяя каталитическую актив-

112

ность последнего вследствие нарушения конформации как фермента в целом, так и его активного центра. Это происходит, например, при алкилировании сульфгидрильных групп фермента:

Е—SH+ICH2CONH2—»Е—S—CH2CONH2+HI

Фермент Иодацетамид (алжн- Алкилированный по лирующий агент) HS-грулппам фермент

Недавно обнаружены необратимые инактиваторы ферментов, возникающие из инертных соединений после их взаимодействия с каталитическим центром фермента, например:

R—С=С—СН2—СО—R'—R—СН=С=СН—СО—R'

Инертное соединение Необратимый ингибитор

г

Присоединяясь к активному центру фермента, такой необратимый ингибитор, возникший в процессе ферментативного катализа, соединяется с активным центром фермента и полностью его блокирует. Поэтому эти ингибиторы образно называют ингибиторами типа «самоубийц».

Обратимое ингибирование действия ферментов может быть конкурентным и неконкурентным. Классическим примером конкурентного ингибирования ферментативной активности является торможение действия дегидрогеназы янтарной кислоты дикарбоновыми кислотами (малоновая, глутаровая), близкими по структуре к янтарной кислоте: между ними идет конкуренция за связывание в активном центре фермента.

При неконкурентном торможении ингибитор взаимодействует с апофермен-том или простетической группой, вследствие чего фермент теряет активность. Одним из вариантов такого торможения может служить блокирование ферментов тяжелыми металлами (ртуть, мышьяк, свинец и др., которые присоединяются к сульфгидрильным группам полипептидной цепи), солями синильной кислоты, оксидом углерода (II) и др. (присоединяются к железосодержащим простетическим группам и т. п.). В качестве другого варианта неконкурентного торможения действия фермента следует отметить аллостери-ческое ингибирование (см. рис. 51, IV).

Специфическую группу ингибиторов ферментов, которой уделяют огромное внимание в последние годы, составляют ингибиторы белковой природы. Они блокируют действие фермента за счет белок-белковых взаимодействий, в результате чего закрывается активный центр фермента. Особенно энергично белковые ингибиторы регулируют деятельность протеиназ клетки, что сильно сказывается на регуляции обмена веществ в целом, поскольку под воздействием ингибиторов протеиназ тормозится переход проферментов в ферменты, отщепление сигнальных пептидов и других пептидных фрагментов при созревании белков, блокируются реакции протеолиза, ведущие к образованию биологически активных пептидов (гормоны пептидной природы, рилизинг-факторы и т. п.—см. гл. XII). Так, например, ингибитор белковой природы— oci-антитрипсин (гликопротеин с М = 52000, получаемый методом генетической инженерии из пекарских дрожжей), нашел применение для лечения эмфиземы (частичного распада) легких, так как он блокирует действие эластазы, выделяемой в норме нейтрофилами легочной ткани (рис. 52). От 2 до 4 граммов а^антитрипсина достаточно для заместительной терапии при эмфиземе легких, развивающейся в результате курения.

Учение об активаторах и ингибиторах ферментов в настоящее время сливается с более широким и общим вопросом о регуляции действия ферментов

113

Рис. 52. а-Антитрипсин и его роль в поддержании целостности легочной ткани

В норме в легок деструктнрующее действие эластазы выделяемой нейтрофилами, блокируется aj-антитрипсином. приносимым током крови в составе ai-глобулина. Курение вызывает увеличение числа и активности нейтрофилов и, как следствие этого, усиление действия эластазы и падение эластичности легочной ткани (отмечено пунктиром прн ее изображении на рисунке). К тому же продукты сгорания табака понижают ингибирующие свойства а|-антитрипсина, который следовало бы называть антиэластазой, так как он ин-гибирует зластазу сильнее, чемвтрипсин

в целом. В частности, установлено, что конечный, а иногда и промежуточный продукт многостадийного процесса биосинтеза может служить аллостериче-ским ингибитором одной из первых его реакций (см., например, ретроин-гибирование биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов—гл. XIII).

НОМЕНКЛАТУРА 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 и, 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. три-псис—разжижаю) и папаин (от названия дынного дерева Carica papaja, из сока которого он выделен). По действию все эти ферменты являются протеолитиче-скими, т. е. ускоряют гидролиз протеинов (белков). Характерное название было дано группе окрашенных внутриклеточных ферментов, ускоряющих окислительно-восстановительные реакции в клетке,—цитохромы (от лат. citos—клетка и chroma—цвет).

Наибольшее распространение получила рациональная номенклатура, согласно которой название фермента составляется из названия субстрата и характерного окончания -аза. Она была предложена более столетия тому назад, в 1883 г., Э. Дюкло—учеником Л. Пастера. Так, фермент, ускоряющий реакцию гидролиза крахмала, получил название амилаза (от греч. амилон—крахмал), гидролиза жиров—липаза (от греч. липос—жир), белков (протеинов)— протеаза, мочевины—уреаза (от греч. уреа—мочевина) и т. п.

Когда методами аналитической химии были достигнуты известные успехи в расшифровке химической природы простетических групп, возникла новая номенклатура ферментов Их стали именовать по названию простатической группы, например геминфермент (простетическая группа —гем), пиридоксаль-фермент (простетическая группа—пиридоксаль) и т. п.

Затем в названии фермента стали указывать как на характер субстрата, так и на тип катализируемой реакции. Например, фермент, отнимающий водород от молекулы янтарной кислоты, называют сукцинатдегидрогеназой, подчеркивая этим одновременно и химическую природу субстрата, и отнятие атомов водорода в процессе ферментативного действия:

Нейтрофил

fo "rZm.f

Эластаза

Легочная ткань

114

ноос—сн2—сн2—соон^ноос—сн=сн—соон

Янтарная кислота Дегидрирование (ecUuffi succlnicum)

В 1961 г. Международная комиссия по номенклатуре ферментов представила V Международному биохимическому конгрессу проект номенклатуры, построенный на строго научных принципах1. Проект был утвержден конгрессом, и новая номенклатура прочно вошла в ферментологию. Согласно этой (Московской) номенклатуре название фермента 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.

Например, пиридоксальфермент, катализирующий реакцию переаминиро-вания между L-аланином и а-кетоглутаровой кислотой, называется L-аланин: 2-оксоглутарат аминотрансфераза: —

СООН

СНз | \

| (СН2)2 _

Н— С—NH2+ | _

| со

СООН |

соон

L-аланин 2-оксоглута-(субстрат) ровая кислота (о-кетоглута-ровая)

сн3 соон

I I

СО + (СН2)2

I I

СООН Н—С—NH2

I

соон

Пировино- L-глутаминовая градная кислота кислота

В этом названии отмечены сразу три особенности: 1) субстратом является L-аланин; 2) акцептором служит 2-оксоглутаровая кислота; 3) от субстрата к акцептору передается аминогруппа.

Названия ферментов по научной номенклатуре неизмеримо выигрывают в точности, но становятся в ряде случаев гораздо сложнее старых, тривиальных. Так уреаза (тривиальное название), ускоряющая реакцию гидролиза мочевины на оксид углерода (IV) и аммиак, по научной номенклатуре именуется карбамид—амидогидролазой:

H2N—СО—NH2 + Н20—>2NH3+С02

В этом названии дано точное химическое наименование субстрата и указано, что фермент катализирует реакцию гидролиза амидогруппы. Трегалаза, ускоряющая реакцию гидролиза трегалозы, называется трегалоза-1-глюкогид-ролазой.

В связи со значительным усложнением научных названий в новой номенклатуре допускается сохранение наряду с новыми старых тривиальных, рабочих названий ферментов. Международной комиссией был составлен детальный список всех известных в то время ферментов, существенно дополненный в 1972 г. при пересмотре как классификации, так и номенклатуры некоторых ферментов, где рядом с новым научным названием каждого фермента приведено старое, а также указан химизм катализируемой ферментом реакции

1 Конгресс проходил в Москве 10—16 августа 1961 г.

115

и в некоторых случаях природа фермента. Таким образом, исключается возможность путаницы в наименовании фермента. В 1964 г. список включал 874 фермента; в последующее время он был существенно дополнен и возрос до' 1770 ферментов в 1972 г. и до 2003 ферментов в 1979 г.

Каждому ферменту в указанном списке присвоен тщивидуальный 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 подпод-классу 5-го подкласса, члены которого ускоряют гидролиз линейных амидов, а последняя цифра (5)—порядковый номер уреазы в этом подлод-классе.

Упоминавшаяся ранее лактатдегидрогенеза имеет шифр 1.1.1.27, т. е, относится к 1-му классу ферментов (оксидоредуктазы), к 1-му подклассу (оксидоредуктазы, действующие на СН—ОН-группировки в качестве доноров атомов водорода), к 1-му подподклассу (акцептором атомов водорода служит никотинамидадениндинуклеотид—см. о нем ниже в этой главе) и занимает 27-е место в перечне ферментов упомянутого под-подкласса. 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.

В дальнейшем при рассмотрении классификации и отдельных представителей ферментов мы будем пользоваться как научными (систематическими), так и тривиальными (рабочими) названиями.

КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ И ХАРАКТЕРИСТИКА НЕКОТОРЫХ ГРУПП

По первой в истории изучения ферментов классификации их делили на две группы: гидролазы, ускоряющие гидролитические реакции, и десмолазы, ускоряющие реакции негидролитического распада. Затем была сделана попытка разбить ферменты на классы по числу субстратов, участвующих в реакции. В соответствии с этим ферменты классифицировали на три группы. 1. Катализирующие превращения двух субстратов одновременно в обоих направлениях: A+B*±C+D. 2. Ускоряющие превращения двух субстратов в прямой реакции и одного в обратной: А+В*±С. 3. Обеспечивающие каталитическое видоизменение одного субстрата как в прямой, так и в обратной реакции: А*±В.

Одновременно развивалось направление, где в основу классификации ферментов был положен тип реакции, подвергающейся каталитическому воздействию. Наряду с ферментами, ускоряющими реакции гидролиза (гидролазы), были изучены ферменты, участвующие в реакциях переноса атомов и атомных групп (феразы), в изомеризации (изомеразы), расщеплении (лиазы), различных синтезах (синтетазы) и т. д. Это направление в классификации ферментов оказалось наиболее плодотворным, так как объединяло ферменты в группы не по надуманным, формальным признакам, а по типу важнейших биохимических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности любого организма. По этому принципу все ферменты делят на 6 классов.

116

1. Оксндоредуктазы—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. Л