В организме человека и млекопитающих содержится не менее 5 000 ферментов. Они либо растворены в цитоплазме, либо объединены с различными мембранными структурами, либо расположены в определенных местах других структур внутри клетки и активируются только при необходимости. Эти ферменты принято называть внутриклеточными; кроме того, существуют ферменты, которые синтезируются внутри клеток, а затем выделяются за их пределы, - внеклеточные ферменты.

В соответствии с реакционными свойствами

В соответствии с различными свойствами реакций, катализируемых ферментами, ферменты делятся на семь категорий:

Оксидоредуктаза - это фермент, способствующий окислительно-восстановительным реакциям субстратов. Это тип ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции, и их можно разделить на две категории: оксидазы и редуктазы.

Трансферазы - это ферменты, катализирующие перенос или обмен определенных групп (таких как ацетил, метил, амино, фосфат и т.д.) между субстратами. Например, метилтрансфераза, аминотрансфераза, ацетилтрансфераза, трансульфураза, киназа и полимераза и т. д.

Гидролазы - это ферменты, катализирующие гидролиз субстратов. Например, амилаза, протеаза, липаза, фосфатаза, гликозидаза и т. д.

Лиазы - это ферменты, катализирующие реакцию, в результате которой из субстрата удаляется группа (негидролитически) и остается двойная связь, или обратную реакцию. Например, дегидратаза, декарбоксилаза, карбоновая ангидраза, альдолаза, цитратсинтаза и т. д. Многие лиазы катализируют обратные реакции, которые позволяют образовывать новые химические связи между двумя субстратами и устранять двойную связь в одном субстрате. Синтаза относится к этой категории.

Изомеразы - это ферменты, которые катализируют превращение между различными изомерами, геометрическими изомерами или оптическими изомерами. Например, изомераза, эпимераза, рацемаза и т. д.

Синтетические ферменты (лигазы) катализируют синтез двух молекулярных субстратов в одну молекулу соединения и соединяются с ферментами, разрывающими фосфатную связь АТФ для высвобождения энергии. Например, глутамин-синтетаза, ДНК-лигаза, лигаза аминокислота:тРНК, биотин-зависимая карбоксилаза и т. д.

Транслоказы - это ферменты, катализирующие перенос ионов или молекул через мембраны или внутри мембран. Некоторые ферменты, участвующие в реакциях гидролиза АТФ, классифицируются как гидролазы (EC 3.6.3-), но реакция гидролиза не является основной функцией этого типа ферментов. Поэтому номенклатурный комитет недавно решил отнести этот класс ферментов к седьмому основному классу ферментов.

Согласно единым принципам классификации ферментов, опубликованным Международной ассоциацией биохимии, на основе вышеуказанных семи основных категорий, каждая основная категория ферментов делится на несколько подкатегорий в соответствии с характеристиками групп или связей, на которые воздействуют в субстрате; чтобы лучше точно указать природу субстрата или реактива, каждая подкатегория далее делится на несколько групп (подкатегорий); каждая группа непосредственно содержит несколько

По химическому составу

чистый протеин

Ферменты, которые являются чистыми белками и не содержат других веществ, кроме белка, такие как уреаза, протеаза, амилаза, липаза, рибонуклеаза и др.

конъюгированный белок

Ферменты, конъюгированные с белками. Помимо белков, они также соединяются с некоторыми термостабильными небелковыми веществами в виде небольших молекул или ионами металлов. Первое называется апоферментом, а второе - кофактором. Что происходит после соединения апофермента и кофактора Образовавшийся комплекс называется голоферментом, то есть голофермент = апофермент + кофактор.

В соответствии с формой существования

прозимоген

Некоторые ферменты, например различные протеазы пищеварительной системы, синтезируются и выделяются в виде неактивных предшественников, а затем транспортируются в определенные части тела. Когда они необходимы в организме, они превращаются в активные ферменты под действием специфических протеолитических ферментов и функционируют. Предшественники этих ферментов, не обладающие каталитической активностью, называются зимогенами. Такие, как пепсиноген (пепсиноген), трипсиноген (трипсиноген), химотрипсиноген (химотрипсиноген) и др. Процесс, в котором определенное вещество воздействует на зимоген, превращая его в активный фермент, называется активацией зимогена. Вещество, превращающее неактивный зимоген в активный фермент, называется активин. Активин обладает определенной специфичностью в активации зимогена.

Например, химотрипсиноген, синтезируемый клетками поджелудочной железы, представляет собой одну пептидную цепь, состоящую из 245 аминокислотных остатков, с 5 парами дисульфидных связей, соединенных внутри молекулы. Процесс активации химотрипсиногена заключается в том, что трипсин сначала гидролизует пептидную связь между остатками аргинина в положении 15 и изолейцина в положении 16, активируя его в р-химотрипсин с полной каталитической активностью. Однако молекула фермента в это время еще не стабильна. В результате катализа самого р-химотрипсина он удаляет две молекулы дипептида, превращаясь в α-химотрипсин с каталитической активностью и стабильной структурой.

В нормальных условиях большинство факторов свертывания в плазме крови существует в виде неактивных зимогенов. Только при повреждении тканей или эндотелиальных клеток сосудов неактивные зимогены превращаются в активные ферменты, что запускает серию каскадных ферментативных реакций, приводящих к превращению растворимого фибриногена в стабильные полимеры фибрина, которые захватывают тромбоциты и образуют тромбы.

Суть активации зимогена заключается в обрыве специфической пептидной связи в молекуле зимогена или удалении некоторых пептидных сегментов, что способствует образованию активного центра фермента. Активация зимогена имеет важное физиологическое значение. С одной стороны, она гарантирует, что клетки, синтезирующие фермент, не будут переварены и разрушены протеазами. С другой стороны, они активируются при определенных физиологических условиях и в определенных местах и играют свою физиологическую роль. Например, после повреждения тканей или сосудистого эндотелия активируются факторы свертывания крови; пепсиноген, выделяемый клетками желудка, и химотрипсиноген, трипсиноген и эластазоген, выделяемые клетками поджелудочной железы, превращаются в соответствующие активные ферменты в желудке и тонком кишечнике соответственно, что способствует перевариванию пищевого белка. Это очевидный пример. Активация зимогенов, вызванная разрывом специфических пептидных связей, существует в организмах в больших количествах и является для них важным способом регуляции активности ферментов. Если процесс активации зимогенов нарушен, возникает ряд заболеваний. Возникновение геморрагического панкреатита связано с тем, что зимоген активируется перед поступлением в тонкий кишечник, и активированная протеаза гидролизует собственные клетки поджелудочной железы, вызывая панкреатическое кровотечение и отек.

Изозим

Понятие изофермента: изоферменты - это класс ферментов, которые катализируют одну и ту же химическую реакцию, но имеют разную молекулярную структуру, физико-химические свойства и иммуногенность. Они существуют в разных тканях одного вида или особи, или даже в разных органеллах одной ткани или клетки. На сегодняшний день известно не менее десятка изоферментов, таких как гексокиназа, лактатдегидрогеназа и др. Среди них хорошо изучена лактатдегидрогеназа (Lactate dehydrogenase) dehydrogenase, LDH). В тканях человека и позвоночных существует пять молекулярных форм, катализирующих одни и те же химические реакции:

Каждый из пяти изоферментов состоит из четырех субъединиц. Субъединицы LDH делятся на тип скелетных мышц (M-тип) и тип сердечной мышцы (H-тип). Эти два типа субъединиц имеют разный аминокислотный состав. Они представляют собой тетрамеры, состоящие из двух субъединиц в разных пропорциях. Существует пять форм LDH. А именно: H4 (LDHl), H3M1 (LDH2), H2M2 (LDH3), H1M3 (LDH4) и M4 (LDH5).

Аминокислотный состав субъединиц М и Н различен, что определяется разными генами. Пропорции субъединиц М и Н в пяти типах ЛДГ различны, что обусловливает различия в их физико-химических свойствах. Обычно пять типов ЛДГ можно разделить электроледяным методом. LDH1 быстро плывет к положительному электроду, а LDH5 плывет медленно. Остальные находятся между ними, включая LDH2, LDH3 и LDH4. Количество различных ЛДГ, содержащихся в разных тканях, различно. LDH1 и LDH2 больше в миокарде, а LDH5 и LDH4 преобладают в скелетных мышцах и печени. Различия в изозимных профилях ЛДГ в разных тканях связаны с физиологическим процессом утилизации молочной кислоты тканями. LDH1 и LDH2 имеют высокое сродство к молочной кислоте, которая дегидрогенизируется и окисляет молочную кислоту в пируват, что полезно для миокарда для получения энергии от окисления молочной кислоты. LDH5 и LDH4 имеют высокое сродство к пирувату и могут восстанавливать пируват до лактата, что соответствует физиологическому процессу получения энергии мышцами в анаэробном гликолизе. При поражении тканей эти изоферменты попадают в кровь. Из-за различий в распределении изоферментов в тканях меняется изоферментный спектр сыворотки. Поэтому анализ изоферментного спектра сыворотки крови широко используется в клинической практике для диагностики заболеваний.

аллостерический фермент

Аллостерические ферменты часто представляют собой многосубъединичные олигомерные ферменты с четвертичной структурой. Помимо каталитического активного центра в молекуле фермента, его еще называют каталитическим сайтом. сайт; существует также аллостерический сайт. В последнем случае аллостерические агенты связываются с эффектором), когда он связывается с аллостерическим агентом, молекулярная конформация фермента несколько изменяется, что влияет на сродство каталитического сайта к субстрату и эффективность катализа. Если связывание аллостерического агента увеличивает сродство между ферментом и субстратом или каталитическую эффективность, он называется аллостерическим активатором (англ. activator), и наоборот, те, которые уменьшают сродство к субстрату фермента или каталитическую эффективность, называются аллостерическими ингибиторами (англ. inhibitors).

Регуляция активности ферментов аллостерическими агентами называется аллостерической регуляцией) функции. Каталитический сайт и аллостерический сайт аллостерического фермента могут располагаться в разных частях субъединицы, но чаще всего они находятся в разных субъединицах. В последнем случае субъединица с каталитическим сайтом называется каталитической субъединицей, а субъединица с аллостерическим сайтом - регуляторной субъединицей. Большинство аллостерических ферментов находятся в начале метаболических путей, а аллостерическими агентами аллостерических ферментов часто являются некоторые физиологические малые молекулы и субстраты для фермента, либо промежуточные продукты или конечные продукты метаболического пути. Поэтому каталитическая активность аллостерических ферментов регулируется концентрацией субстратов, промежуточных продуктов метаболизма или конечных продуктов в клетке. Конечный продукт ингибирует аллостерические ферменты в пути, что называется ингибированием с обратной связью. ингибирование). Это означает, что при увеличении конечного продукта в клетке он действует как аллостерический ингибитор, подавляя фермент в начале метаболического пути, и своевременно регулирует скорость метаболического пути в соответствии с потребностями физиологических функций клетки. Аллостерические ферменты играют важную роль в регулировании метаболизма клеточных веществ. Поэтому аллостерические ферменты также называют регуляторными ферментами. фермент).

Модифицирующий фермент

Некоторым ферментам в организме необходимо изменить молекулярную структуру под действием других ферментов, прежде чем они смогут стать каталитически активными. Такие ферменты называются ферментами модификации (modification enzymes). фермент). Среди них наиболее распространена ковалентная модификация. Например, функциональная группа -OH остатков серина и треонина ферментных белков может быть фосфорилирована. При этом возникают модификационные изменения ковалентных связей, поэтому это называется ковалентной модификацией (англ. modification). Изменение активности фермента, вызванное этой модификацией, называется ковалентной модификацией фермента (англ. regulation). Распространенными ковалентными модификациями в организме являются фосфорилирование и дефосфорилирование ферментов, а также ацетилирование и деацетилирование ферментов, уридилирование и деуридилирование, метилирование и деметилирование. Поскольку ковалентная модификация быстро вступает в реакцию и обладает каскадным усиливающим эффектом, она также является важным способом регуляции обмена веществ в организме. Например, фосфорилаза гликогена, катализирующая реакцию распада гликогена, имеет две формы: активную и неактивную. Активная форма называется фосфорилазой a, а неактивная - фосфорилазой b. Взаимопревращение этих двух форм происходит в процессе фосфорилирования и дефосфорилирования молекул фермента.

Мультиэнзимные комплексы и мультиэнзимные системы

Некоторые ферменты в организме объединяются друг с другом, образуя физическую комбинацию. Такая комбинация называется мультиферментным комплексом. комплекс). Если мультиферментный комплекс разобрать, каталитическая активность каждого фермента исчезает. В состав мультиферментного комплекса входит множество ферментов. Например, мультиферментный комплекс пируватдегидрогеназы, катализирующий реакцию окислительного декарбоксилирования пирувата, состоит из трех ферментов, а мультиферментный комплекс, катализирующий β-окисление жирных кислот в митохондриях, состоит из четырех ферментов. Продукт реакции, катализируемой ферментом мультиферментного комплекса, становится субстратом для второго фермента, и так продолжается до тех пор, пока не образуется конечный продукт.

Благодаря физической комбинации мультиферментного комплекса, пространственная конформация способствует быстрому продвижению этой сборочной линии и является эффективной мерой для организмов по улучшению каталитической эффективности ферментов.

Многие ферменты часто участвуют в различных путях метаболизма веществ в организме, чтобы последовательно завершить процесс реакции. Эти ферменты отличаются от мультиферментных комплексов и структурно не связаны друг с другом. Поэтому их называют мультиэнзимной системой (multienzyme system). Например, 11 ферментов, участвующих в гликолизе, все присутствуют в цитозоле, образуя мультиферментную систему.

многофункциональный фермент

В XXI веке было обнаружено, что некоторые молекулы ферментов обладают несколькими каталитическими активностями. Например, ДНК-полимераза I кишечной палочки представляет собой полипептидную цепь с молекулярной массой 109 кДа, которая может катализировать синтез цепей ДНК, 3'-5' экзонуклеазу и 5'-3'Экзонуклеазная активность, при мягком гидролизе протеолитическим ферментом были получены два пептидных фрагмента, один из которых содержал 5'-3' экзонуклеазную активность, а другой - активность двух других ферментов, что указывает на то, что E. coli ДНК-полимераза Молекула содержит несколько активных центров. Синтаза жирных кислот млекопитающих состоит из двух полипептидных цепей, каждая из которых содержит каталитическую активность семи ферментов, необходимых для синтеза жирных кислот. Ферменты с несколькими каталитическими активными участками в молекуле фермента называются многофункциональными ферментами (multifunctional enzyme) или тандемными ферментами (tandem enzyme). Многофункциональные ферменты более выгодны, чем мультиферментные комплексы, с точки зрения молекулярной структуры, поскольку соответствующие химические реакции осуществляются на одной молекуле фермента, что более эффективно, чем в мультиферментных комплексах. Это также является результатом биологической эволюции.