зы, P-D-рибозы (см. с. 338) и ряда других Сахаров.

Особое внимание в последнее время уделяют изучению фосфотрансфераз, обеспечивающих перенос остатка фосфата с АТФ на белки,—протеинкиназам. Они переносят фосфат на радикалы сер, тре, тир, лиз и гис ряда белков, в результате чего резко изменяется биологическая активность последних. Это, в свою очередь, сказывается на интенсивности протекания химических процессов в организме, т. е. на регуляции обмена веществ (см. гл. XIII).

Аминотрансферазы. Эти ферменты ускоряют реакцию переаминирования аминокислот с кетокислотами и очень важны для обеспечения биосинтеза аминокислот. Аминотрансферазы двухкомпонентны: простетической группой их во всех случаях является пиридоксальфосфат, ковалентно присоединенный к апоферменту через свою альдегидную группу (см. рис. 55, Б) и ионной связью—через остаток фосфорной кислоты:

ОН

I

Белок -О — Р — О— CH2s

Пиредоксждырермент

124

Механизм реакции переаминирования сейчас хорошо выяснен, а сама реакция открыта еще в 1937 г. А. Е. Браунштейном и М. Г. Крицман.

Для удобства пиридоксальфермент обозначим при помощи следующей

структуры: Чс-<И>мент- сохранив только функционально значимую альде-

гидную группу его кофермента.

На. первой стадии ферментативного катализа простетическая группа фермента (для простоты принято, что она свободна, а не соединена альдимин-ной связью с апоферментом через е-аминогруппу радикала лиз) взаимодействует с аминокислотой, подвергающейся переаминированию. Реакция идет по аминогруппе аминокислоты и альдегидной группе остатка пиридоксаль-фосфата:

СООН соон

I оч I

СН—NH2 ^ СН — N = CH—фермент + Н,0

| + С- фермент f$ | 2

сн2 н' сн2

I I

соон соон

Лсгаршмюм* пслота Фетментчдгбстрстшй ммпяек

На второй ступени катализа идет преобразование субстрата, выражающееся в данном случае в таутомерной перегруппировке:

СООН СООН

CH-j-N==CH—фермент C=N—СН2—фермент

I 12

СООН СООН

Эта перегруппировка осуществляется при участии имидазолсодержащих радикалов остатков гис, входящих в состав каталитического центра фермента:

125

В результате последующего гидролиза освобождаются кетокислота и фермент в виде пиридоксаминофермента:

СООН СООН

I I

С=N— СН2—фермент+НОНт± CO+H2N— СН2—фермент I I

СН2 СНд Пиридоксамннофермент

I I

СООН соон

Щавелевоуксусная кислота

Далее между пиридоксаминоферментом и другой кетокислотой вновь возникает фермент-субстратный комплекс:

соон соон I I

(СН2)2 (СН2)2

I I

С=О+H2N—CH2—фермент j± С=N— СН2—ферментЧ- Н20 I I

соон соон

а-Кетоглутаровая кислота

Субстрат в нем снова подвергается преобразованию за счет таутомерного Превращения:

соон соон

(снг)2 Jh2)2 I v----1

С=№-т-СН2-фермент я СН—№=СН-фермент

I '---* I

соон соон

Полученное соединение гидролизируется, и возникает новая аминокислота: соон соон

(СН,), (СН,), о

I I V

СН—N=CH— фермент + Н,0 **= СН—nh, + С— фермент

с!оон соон н/

Глутанмновая Пнридоксалъ-кислота фермент

Следовательно, в результате серии реакций, включающих в себя попеременное образование фермент-субстратных комплексов, аспарагиновая кислота переходит в щавелевоуксусную, а а-кетоглутаровая—в глутаминовую.

Это выражается следующим суммарным уравнением:

соон соон соон соон

L пиридоксаль- I

CHNH2 (СН2)2 фермент СО (СН2)2

I + I -> I + I

СН2 СО *- СН2 CHNH2

| | (аспартат- |

СООН СООН ^раза)НС" СООН СООН

126

Центральную роль в пиридоксалевом катализе играет смешение электронной плотности в фермент-субстратном комплексе:

он

н

R—с?-соон

N

Белок—О—Р—О—СН,< II О

О чсн3

В результате у а-углеродного атома аминокислотного остатка ослабляются связи с заместителями (азотом, СООН-группой и др.), вследствие чего легко осуществляется разрыв соответствующих связей.

Аспартатаминотрансфераза имеет молекулярную массу, равную 93000, и состоит из двух идентичных субъединиц (М=46500), каждая из которых соединена с молекулой пиридоксальфосфата. При разбавлении растворов аспартатаминотрансферазы ее димеры распадаются на каталитически активные мономеры. Благодаря исследованиям главным образом советских ученых (А. Е. Браунштейна с сотр., Ю. А. Овчинникова с сотр. и Б. К. Вайнштейна с сотр.) выяснены первичная и третичная структуры этого фермента, строение и детальный механизм функционирования его активного центра. Субъединица цитозольного изофермента аспартатаминотрансферазы из сердца свиньи (другой изофермент локализован в митихондриях) представлена полипептидной цепью из 412 аминокислотных остатков. Значительная часть ее находится в а-спиральной конформации, а в обособленном участке глобулы расположен коферментсвязывающий домен, где локализован активный центр (рис. 55). Характерно, что коферментсвязывающий домен пиридоксальферментов очень похож на нуклеотидсвязывающий домен НАД"1"- и НАДФ+-зависимых дегид-рогеназ (см. рис. 53, II), что объясняется, видимо, присутствием пиридинового цикла в составе того и другого кофермента.

Поскольку аспартатаминотрансфераза состоит из двух субъединиц и несет, следовательно, два остатка пиридоксальфосфата, в реакции переаминирова-ния субъединицы работают согласованно, со сдвигом по фазе в использовании энергии, необходимой для осуществления химических преобразований; вследствие этого димерная структура фермента дает существенный выигрыш в осуществлении каталитического процесса.

На рис. Б видно, что пиридоксаль-фосфат соединен вльдиминно связью с Е-аминогруппой остатка лизина в апоферменте; именно по этой альдиминной связи присоединяется аминогруппа аминокислоты, вытесняя оттуда ?-аминогруп-

Рие. 55. Один из возможных вариантов третичной структуры аспартатаминотрансферазы (А) и строение ее активного центра

А

Б

лу лизина

127

Глвкозилтрансферазы. Эти ферменты ускоряют реакции переноса гликозшгь* ных остатков из молекул фосфорных эфиров или других соединений к молекулам моносахаридов, полисахаридов или иных веществ, обеспечивая главным образом реакции синтеза и распада олиго- и полисахаридов в животном и растительном мире. Ниже приведено уравнение реакции распада сахарозы при участии сахароза: ортофосфат-а-глюкозилтрансферазы, или сахарозофосфорилазы:

Сахароза (ot-D-глюкопиранозидо- e-D-Глюкопирано- /J-D-Фругто-

P-D-фруктофуранозид) зо-1-фосфат фураноза

Аналогично этому действуют крахмалфосфорилаза, гликогенфосфорилаза и другие гликозилтрансферазы. В случае переноса гликозильных остатков на Н3Р04 этот процесс называют фосфоролизом, так как он формально аналогичен гидролизу, но вместо элементов воды по месту разрыва кислородного мостика присоединяются водород и фосфатная группа фосфорной кислоты (подробнее о гликогенфосфорилазе и механизме ее действия см. гл. VIII).

В последнее время выяснено, что перенос гликозильных остатков особенно легко осуществляется ферментами данной группы в тех случаях, когда субстратом служит нуклеозиддифосфатмоносахарид. Эта реакция представляет, видимо, основной путь природного синтеза олиго- и полисахаридов и будет детально рассмотрена в гл. VIII. Нуклеозиддифосфатсахара являются кофер-ментами гликозилтрансфераз.

Ацилтрансферазы. Эти ферменты ускоряют перенос ацилов (остатков карбо-новых кислот) на аминокислоты, амины, спирты и другие соединения. Универсальным источником ацильных групп во всех этих реакциях является ацил-коэнзим А, который с полным основанием можно рассматривать как активную группу ацилтрансфераз.

Чаще всего переносу в биологических объектах подвергается ацил уксусной

кислоты—ацетил ^СН3—j.

Коэнзим А (см. формулу на с. 163), соединяясь с ацетильным остатком, который занимает место водорода в его HS-группе, образует ацетил-коэнзим А. Последний служит кофактором в соответствующей реакции переноса. Одним из примеров реакции трансацилирования является синтез ацетилхолина:

+

+ НО—СН,—СН,—N (CHs)s

СНз-С

\s-KoA

Холин

Ацетил-коэнзим А

Щ—С

Ацетилхглнн Коэнзнн А

12S

Важное значение среди трансфераз имеют ферменты, ускоряющие перенос одноуглеродных фрагментов (метальных, оксиметильных, формальных и т. п.), а также нуклеотидилтрансферазы, катализирующие перенос нуклео-тидных остатков в процессе синтеза нуклеиновых кислот. Механизм их действия будет описан ниже.

3. 1идролазы. К классу гидролаз относят ферменты, ускоряющие реакции расщепления (а иногда и синтеза) органических соединений при участии воды: R'R"+HOH?±R'H+R"OH. В зависимости от характера субстрата, подвергающегося гидролизу, гидролазы делят на ряд подклассов, среди которых наиболее важны следующие: 1) эстеразы, ускоряющие реакции гидролиза сложных эфиров;

2) гликозидазы, ускоряющие реакции гидролиза гликозидов, в том числе углеводов;

3) пептид-гидролазы, ускоряющие реакции гидролиза (а в особых случаях и синтеза) белков, пептидов и других соединений, содержащих пептидные связи;

4) гидролазы, действующие на С—N-связи, отличающиеся от пептидных (например, амидазы и т. п.). Всего в составе гидролаз насчитывают почти 500 ферментов.

Эстеразы. Эти ферменты катализируют реакции гидролиза сложных эфиров спиртов с органическими и неорганическими кислотами. Важнейшими подподклассами эстераз являются гидролазы эфиров карбоновых кислот и фосфатазы. В качестве представителя первого подподкласса рассмотрим липазу.

Липаза ускоряет гидролиз внешних, т. е. а-сложноэфирных, связей в молекулах триацилглицеринов (жиров):

сн2—о—со—с13н31 сн2—он

Липаза

СН—О—СО—С13НЗХ +2НОН ; СН—О— СО—Ci5H31+2C15H3,COOH

I 4 I

СН2—О—СО—С13Н3, СН2—ОН Пальмитиновая

кислота

Тртальмитив р^Пальмитшг-

гл

Механизм действия ряда эстераз детально изучен. Один из примеров рассмотрен в этой главе (см. раздел о механизме действия ферментов). Характеристика липаз дана в гл. IX.

Фосфатазы катализируют гидролиз фосфорных эфиров. Особенно широко распространены фосфатазы, действующие на сложные эфиры фосфорной кислоты и углеводов, например глюкозо-1-фосфатаза:

Глюкозо-1-фосфат Глюкоза

Действие фосфатаз проявляется в широком спектре рН от 3 до 9. Большинство из них обладает широкой субстратной специфичностью. Особенно важны для регуляции процессов жизнедеятельности протеинфосфатазы, обеспечивающие отщепление фосфата от фосфорилированных белков, вследствие чего изменяется их биологическая, в частности ферментативная, активность.

Гликозидазы. Эти ферменты ускоряют реакцию гидролиза гликозидов. В зависимости от того, на какой пространственный изомер (а или Р) действует

5—3502

129

фермент, его относят к о- или Р-гликозидазам. Таким образом, гликозидазы обладают ярко выраженной пространственной специфичностью. Кроме глико-зидов, содержащих в качестве агликонов остатки одноатомных спиртов, суб* стратами, на которые распространяется действие тех или иных гликозидаз, являются олиго- и полисахариды. Из действующих на олигосахариды гликозидаз упомянем мальтазу (о-гликозидаза) и сахаразу (Р-гликозидаза). Они ускоряют соответственно гидролиз мальтозы и сахарозы:

сн2он

носн.

+н2о

ч г сн2он н он он н

Сахароза («-D-глюкопиранозидо-B-D -фруктофураиози д)

Глюкоза (a-D-глюкопираиоза)

н2он

н '

Фруктоза (0- D-фруктофураноза)

+ Н,0

а-Глюкозидаза (мал таза)

Мальтоза («-D-глюкопиранозидо-1,4-0-глюкопираноза)

Н0>— f ОН

Н ОН Глюком (e-D -глюкопираноза)

Из гликозидаз, действующих на полисахариды, наиболее известны амилазы. В природе существует несколько видов амилаз, ускоряющих реакции гидролиза гликозидных связей в молекуле крахмала с образованием глюкозы, мальтозы или олигосахаридов. Их характеристика и механизм действия рассмотрены в гл. VIII.

гидролиз других природных полигликозидов: целлюлозы, инулина, ксила-на и т. п.—также ускоряется соответствующими гликозида'зами. Некоторые гликозидазы катализируют также реакции переноса гликозильных остатков, т. е. являются трансгликозидазами.

Пептид-гидролазы. Ферменты этого подкласса ускоряют гидролиз пептидных связей в белках и пептидах, а при определенных условиях также и образование пептидных связей, хотя этот путь синтеза белка не является физиологическим. Химизм процесса гидролиза белков и пептидов при участии пептидгидролаз можно выразить следующей схемой:

H2N—СН—СО— NH— СН— СО — NH— СН—СООН+(п+ 1)Н20

i L I j. I

R'

Пептид-гидролаза

R

H2N— СН—СООН+nH3N— СН—СООН + H2N—СН—СООН

R'

I

R"

Среди пептид-гидролаз различают протеиназы или пептндил-пептидогид-ролазы, катализирующие гидролиз небольшого числа внутренних пептидных связей в белковой молекуле, в результате чего последняя распадается до пептидов. Они являются, следовательно, эидопептидазами. В отличие от этого пептид-гидролазы, называемые пептидазами, обеспечивают отщепление от пептидной цепи свободных аминокислот, будучи экзопептидазами.

Протеиназы в зависимости от механизма их действия на внутренние пептидные связи в белковой молекуле делят на 4 подподкласса: 1) сериновые протеиназы, несущие в активном центре радикалы сер и гис, обеспечивающие

130

Осуществление каталитического акта; представителями их являются химотри-псин и трипсин, выделяемые поджелудочной железой, субтилизин, продуцируемый бактериями, и др.; 2) тиоловые (цистеиновые) протеиназы, имеющие в активном центре остаток цис; к их числу принадлежат папаин из латекса дынного дерева Carica papaya, фицин из латекса фикуса, бромелаин из сока ствола ананаса, катепсин В—внутриклеточный фермент позвоночных и др.; 3) кислые (карбоксильные) протеиназы, имеющие оптимум рН ниже 5 и содержащие радикалы дикарбоновых аминокислот в активном центре; сюда относятся пепсин, выделяемый слизистой желудка, катепсин D, характеризующийся внутриклеточной локализацией, и ряд кислых протеиназ, продуцируемых разнообразными микроорганизмами; 4) металлопротеиназы, каталитическое действие которых зависит от присутствия ионов металлов (Са2+, Zn2+) в активном центре; примерами их могут служить коллагеназа и ряд протеиназ микробного происхождения (термолизин, компонент проназы и др.).

Пепсин, трипсин и химотрипсин выделяются железистыми клетками в виде неактивных проферментов—зимогенов: пепсиногена, трипсиногена и химотрипсиногена, так как их активные центры блокированы фрагментами полипептидной цепи, после гидролитического отщепления которых фермент приобретает активность. Это явление впервые было открыто в лаборатории И. П. Павлова.

Очень важной особенностью протеиназ является выборочный (селективный) характер их действия на пептидные связи в белковой молекуле. Так, пепсин избирательно ускоряет гидролиз пептидных связей, образованных фен и лей; трипсин—арг и лиз; химотрипсин—ароматическими аминокислотами; папаин—арг, лиз и фен и т. д. В результате индивидуальный белок под действием определенной пептидил-пептидогидролазы расщепляется всегда на строго ограниченное число пептидов. Это находит практическое использование при определении первичной структуры белков и имеет огромное значение для регуляции обмена веществ, так как многие продукты селективного гидролиза белков обладают высочайшей биологической активностью: именно этим путем из проферментов возникают ферменты, из пре