Что такое шифр фермента

Что такое шифр фермента

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время число различных известных реакций, катализируемых ферментами, составляет более двух тысяч и число их постоянно возрастает. Для того, чтобы ориентироваться в этом огромном количестве биохимических превращений, необходима некоторая система, которая и была создана Международным союзом по биохимии (International Union of Biochemistry, IUB) и рекомендована к повсеместному использованию. Согласно этой классификации все ферменты разбиваются на шесть классов. Каждый класс разбивается на подклассы, а каждый подкласс – на подподклассы. Все они имеют свои номера. В пределах подподкласса каждый относящийся к нему фермент имеет свой порядковый номер. Таким образом, фермент характеризуется четырьмя цифрами, номером класса, подкласса, подподкласса и порядковым номером фермента в подподклассе. Кроме того, рекомендации IUB касаются и номенклатуры ферментов. Создана применимая для большинства ферментов систематическая номенклатура. Однако, допускается использование и других, упрощенных названий, причем из нескольких исторически сложившихся выделяется одно, рекомендуемое для использования.

Рассмотренные вопросы в настоящем учебном пособии включены в типовые и рабочие программы по биологической химии, на основании которых ведётся подготовка специалистов в ГОУ ВПО Росздрава Новосибирском государственном медицинском университете по всем специальностям.

Настоящее учебное пособие предназначено для самостоятельной подготовки студентов к практическим занятиям по биохимии для студентов 2-3 курсов всех факультетов по теме «Классификация ферментов», а также необходимо для подготовки к коллоквиуму и экзамену по курсу биохимии.

Целью данного пособия является формирования представлений о принципах классификации ферментах, основах номенклатуры ферментах, химической природе коферментов.

Знание основ классификации ферментов и номенклатуры, особенностей строения небелковой части, биологических функций отдельных ферментов позволит лучше понимать «язык» биохимии и ориентироваться в терминологии, облегчит дальнейшее изучение тем курса биологической химии.

Пособие включает вопросы международной классификации ферментов, номенклатуры ферментов, характеристики классов ферментов, включающих оксидоредуктазы, гидролазы, изомеразы, трансферазы, лиазы и лигазы. В разделах, посвященных отдельным классам, приведены примеры ферментов, их место в классификации, химическая природа коферментов и биологические функции.

Пособие содержит тестовые задания и ответы к ним, предназначенные для самооценки степени усвоения материала.

Для углубления представлений о классификации ферментов можно использовать литературу, представленную в конце пособия.

ВВЕДЕНИЕ

Химические реакции в живых организмах протекают с высокой скоростью, благодаря наличию катализаторов белковой природы – ферментов или энзимов. Ферменты были открыты в процессе изучения механизмов брожения, этим и объясняется происхождение их названия (от лат. fermentatio – брожение, en zyme – в дрожжах). Представление о том, что в живых системах химические реакции протекают при помощи каких-то факторов, возникло более 200 лет назад. Более чёткие химические представления сформировались в связи с развитием теории химического катализа, выдвинутой шведским химиком Й.Я. Берцелиусом, который первым отметил высокую производительность биологических катализаторов на примере диастазы.

В 50-х гг. XIX столетия Л. Пастер показал, что сбраживание дрожжами сахара в спирт катализируется веществами белковой природы – ферментами. В 20-х гг. XX в. З. Вильштеттер впервые получил ряд ферментов в высокоочищенном состоянии. В 1926 г. Дж. Самнер впервые получил растительную уреазу в виде белковых кристаллов. Четыре года спустя Дж. Нортроп и М. Кунитц представили данные о получении кристаллов трипсина и пепсина, доказав их исключительно белковую природу. Успехи прикладной энзимологии во второй половине XX столетия позволили получить более 2000 ферментов в более или менее очищенном состоянии.

Первоначально ферментам давали названия, прибавляя окончание -аза к названию субстрата, на который данный фермент действует. Так, ферменты, гидролизующие крахмал (амилон) были названы амилаза­ми; ферменты, гидролизующие жиры (липос) – липазами; ферменты, гид­ролизующие белки (протеины) – протеиназами. Позднее ферменты стали называть по типу реакции, которую они катализируют: дегидрогеназы, оксидоредуктазы, декарбоксилазы и т.д. Многие из этих названий сох­ранились и до сих пор.

Необходимость систематики ферментов диктовалась, прежде всего, стремительным ростом числа вновь открываемых ферментов, которым разные исследователи присваивали названия по своему усмотрению. Часто одному и тому же ферменту давали два или несколько названий.

Существуют разные виды классификаций ферментов.

1. По химическому строению выделяют простые и сложные ферменты. Простые ферменты состоят только из аминокислот, а сложные содержат небелковую (простетическую) группу. Белковую часть сложных белков принято называть апоферментом. Связанную с белковой частью простетическую группу в составе сложного фермента принято называть кофактором или коферментом. Кофактор, как правило, представлен ионами металла (Zn 2+ , Fe 2+ , Cu + , Mg 2+ и др). Коферменты имеют большую молекулярную массу и являются:

Читайте также:  Запуск данного устройства невозможен код 10

— производными витаминов (тиаминдифосфат, ФМН, ФАД, НАД, HSКоА, НАДФ, пиридоксальфосфат)

— невитаминные (биоптерин, тиоредоксин, глутатион, липоевая кислота, фосфаты, гем и др.).

2. По локализации в клетке различают лизосомальные, цитозольные, микросомальные, митохондриальные, ядерные ферменты.

3. По локализации в организме биологические катализаторы можно разделить на ферменты крови, сердца, печени и др.

4. По продолжительности жизни молекул фермента различают короткоживущие (Т1/2 менее 1 ч) и долгоживущие ферменты (Т1/2 более 1 ч).

5. По возможности адаптивно регулировать количество молекул фермента разделяют конститутивные ферменты, которые синтезируются в организме на постоянном уровне и индуцибельные или адаптивные, синтез которых в организме усиливается при определённых условиях.

Однако эти принципы не могли служить общей основой для классификации, так как только для небольшого числа ферментов известны простетические группы, доступные идентификации и прямому определению. Ещё меньше известно о тканевых особенностях регуляции синтеза ферментов.

Именно катализируемая химическая реакция является тем признаком, по которому можно отличить один фермент от другого. Естественно, что Международная комиссия по ферментам этот принцип положила в основу классификации ферментов, которая с незначительными изменениями и дополнениями используется до настоящего времени.

МЕЖДУНАРОДНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ

Открытие огромного количества ферментов (более 3000) и их раз­нообразие заставило принять единую классификацию ферментов. Международный биохимический союз (IUB) в 1961 году ввел единую номенклатуру, принятую во всем мире. В основу современной классификации ферментов положен следующий принцип – тип катализируемой реакции. Этот принцип логично использовать в качестве основы для классификации и номенклатуры ферментов.

Таким образом, тип катализируемой реакции в сочетании с названием субстрата (субстратов) служит основой для систематического наименования ферментов. Согласно Международной классификации, ферменты делят на 6 классов (оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы).

По классификации ферментов (КФ – русскоязычная, ЕС – англоязычная) каждый фермент (энзим) имеет свой определенный номер (шифр), состоящий из четырех групп цифр, разделенных точками. Первая цифра обозначает отнесение фермента к классу, вторая – к подклассу, третья – к подподклассу и, наконец, четвертая – номер фермента. Например, шифр алкогольдегидрогеназы по классификации – КФ 1.1.1.1, малатдегидрогеназы – КФ 1.1.1.37. Разделение ферментов на классы строгое и не допускает произвольного изменения номеров. Номер (шифр) фермента абсолютно точно указывает место фермента в общем списке. Так, все оксидоредуктазы относят к первому классу, трансферазы – ко второму, гидролазы – к третьему и т.д.

Классификация ферментов: четырехчисловая система, первое число – класс (один из шести):

КФ 1. Оксидоредуктазы

КФ 2. Трансферазы

Внутри каждого класса происходит разделение на подклассы, например, внутри первого класса различают:

КФ 1.1 Действующие на CH-OH группы донора

КФ 1.2 Действующие на альдегидные или оксо- группы донора

КФ 1.3 Действующие на CH-СH группы донора

КФ 1.4 Действующие на CH-NH2 группы донора

КФ 1.5 Действующие на CH-NH группы донора

КФ 1.6 Действующие на НАДН или НАДФН и др.

Внутри каждого подкласса происходит разделение на подподклассы:

КФ 1.1.1 Акцептор НАД или НАДФ

КФ 1.1.2 Акцептор – цитохром

КФ 1.1.3 Акцептор – кислород

КФ 1.1.4 Акцептор – сульфид

КФ 1.1.5 Акцептор – хинон или подобная группировка

КФ 1.1.99 Другой акцептор

Последнее число- номер конкретного фермента:

КФ 1.1.1.1 Алкогольдегидрогеназа

КФ 1.1.1.2 НАДФ-зависимая алкогольдегидрогеназа

КФ 1.1.1.3 Гомосериндегидрогеназа

КФ 1.1.1.4 (R,R)-бутандиол дегидрогеназа и др.

Ферменты Систематическое название Катализируемые реакции Основные подклассы, группы
Оксидоредуктазы По форме «донор: акцептор-оксидоредуктаза», (NAD + оксидоредуктаза для лактатдегидрогеназы) Окислительно-восстановительные реакции с участием двух субстратов Аэробные дегидрогеназы или оксидазы, катализирующие перенос Н + (электронов) на О2 — анаэробные дегидрогенеазы, ускоряющие перенос Н + (электронов) на промежуточный субстрат, но не на О2, цитохромы, катализирующие перенос электронов, гемсодержащие ферменты (каталаза и пероксидаза), катализирующие реакции с участием переноса ионов Н +
Трансферазы «донор: транпортируемая группа-трансфераза» (холин-ацетилтрансфераза) Реакции межмолекулярного переноса различных атомов, радикалов (отличных от атомов водорода), одноуглеродных групп, альдегидных или кетонных остатков, а также ацильных, алькильных, гликозильных групп и групп, содержащих фосфор и серу Киназы (фосфатные группы), транаминазы (аминогруппы), ацилтрансферазы (ацильные группы)
Читайте также:  Как записать аудио с видео ютуб

Окончание таблицы 4

Ферменты Систематическое название Катализируемые реакции Основные подклассы, группы
Гидро- лазы По форме «субстрат-гидролаза» Расщепление внутримолекулярных связей органических веществ при расщеплении воды (гидролиз эфирных, сложноэфирных, пептидных, гликозильных связей, кислотных ангидридов, связей С-С , Р-N) Эстеразы (гидролиз эфиров), гликозидазы (гликозидные связи), фосфотазы (фосфоангидридные связи), пептидогидролазы (пептидные связи)
Лиазы По форме «субстрат-лиаза (фумарат-гидротаза)» Катализируют разрыв связей С-С, С-N и др. Обратимые реакции отщепления различных групп от субстратов негидролитическим путем с образованием двойных связей Альдегидлиаза (альдолаза), углерод-кислородлиаза (фумараза), дегидротаза (енолаза), декарбоксилаза (карбоксилиаза)
Изоме- разы «Субстрат-цис-транс-изомераза» Катализируют реакции взаимопревращения оптических и позиционных изомеров Изомеразы, мутазы, а также рацемазы и эпимиразы, действующие на амино- и оксикислоты, углеводы и их производные, внутримолекулярные оксидоредуктазы, катализирующие взаимопревращения альдоз и кетоз, внутримолекулярные трансферазы, переносящие ацильные, фосфорильные и др. группы
Лигазы (синтетазы) «X:Y лигаза, где X и Y – исходные вещества» (глутаматсинтетаза) Катализируют синтез органических веществ из двух молекул с использованием энергии распада АТФ (или других нуклеозидтрифосфатов) Карбоксилазы, синтетазы

В пределах классов ферменты группируются в подклассы и подподклассы в соответствии с особенностями катализируемых реакций. Разработанная система служит как для классификации, так и для нумерации (индексации) ферментов. В списке ферментов насчитывается более 3500 индивидуальных ферментов. Шифр фермента состоит из четырех разделенных точками чисел: первое число показывает, к какому из шести классов относится фермент, второе и третье числа показывают подкласс и подподкласс соответственно, а четвертое – порядковый номер фермента в его подподклассе. Например, кислая фосфотаза имеет шифр 3.1.3.2.; это означает, что она относится к классу гидролаз (3.1.3.2.), подклассу этих ферментов, действующих на сложноэфирные связи (3.1.3.2.), к подклассу ферментов, гидролизующих моноэфиры фосфорной кислоты (3.1.3.2.), и что порядковый номер ферментов в этом подклассе «2» (3.1.3.2).

Дата добавления: 2015-07-06 ; просмотров: 3160 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Значение заданного мне кода фермента — 3.1.3.5

Заданный мне код фермента — 3.1.3.5. Для его расшифровки я зашла на сайт IUPAC. Все ферменты в рамках данной классификации подразделяются на оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы (имеют идентификаторы по классам от EC1 до EC6, соответственно). Первая цифра 3 показывает, что "мой" фермент относится к гидролазам, то есть ферментам, катализирующим гидролиз различных химических связей.
Второе число в идентификаторе указывает на природу связи, на которую направлено действие данного фермента. Для гидролаз приведена следующая классификация:

Идентификатор Характер действия
EC 3.1 на сложноэфирную связь
EC 3.2 гликозилазы
EC 3.3 на диэтилэфирную связь
EC 3.4 пептидазы
EC 3.5 на C-N связи, но не пептидные
EC 3.6 на ангидриды кислот
EC 3.7 на С-С связи
EC 3.8 на галогенидные связи
EC 3.9 на P-N связи
EC 3.10 на S-N связи
EC 3.11 на C-P связи
EC 3.12 на S-S мостики
EC 3.13 на C-S связи

Из таблицы видно, что "мой" фермент воздействует на сложноэфирную связь. В группе ферментов с идентификатором EC 3.1 выделяются подгруппы. На это указывает третье число. Ферменты с EC 3.1.3 катализируют гидролиз моноэфиров фосфорной кислоты. Последнее число дает нам полный идентификатор — EC 3.1.3.5. Это идентификатор 5′-нуклеотидазы.
Данный фермент катализирует следующую реакцию:

5′-рибонуклеотид + H2O = рибонуклеозид + фосфат

Сравнение последовательности ферментов с одинаковым кодом из эволюционно далеких организмов

В задании предложено сравнить сходство последовательностей гомологичных доменов из эволюционно далеких организмов, таких как, например, кишечной палочки Escherichia coli K-12, археи Methanococcus jannaschii и человека Homo sapiens.
С помощью SRS по заданному коду фермента находим в UniProt все ферменты из этих 3х организмов. Ниже указано заполнение полей SRS при поиске.

ECNumber: 3.1.3.5
ID: *_Ecoli|*_Human|*_Metja

В БД SRS был введен следующий запрос:
([uniprot-ECNumber:3.1.3.5*] & (([uniprot-ID:*_HUMAN*] | [uniprot-ID:*_ECOLI*]) | [uniprot-ID:*_METJA*]))

Переключив вариант просмотра результата поиска на SW_InterProMatches, получаем следующую таблицу.

1 5NT1A_HUMAN Q9BXI3 Q3SYB9 Q5TG98 Q9BWT8 NT5C1A PF06189 81-354 2 5NT1B_HUMAN Q96P26 Q8N9W3 Q8NA26 Q96DU5 Q96KE6 Q96M25 Q96SA3 NT5C1B PF06189 337-607 3 5NT3_HUMAN Q9H0P0 Q6IPZ1 Q6NXS6 Q7L3G6 Q9P0P5 Q9UC42 Q9UC43 Q9UC44 Q9UC45 NT5C3 — — 4 5NTC_HUMAN P49902 NT5C2 PF05761 110-493 5 5NTD_HUMAN P21589 O75520 NT5E PF00149 29-247 PF02872 338-513 6 I5P1_HUMAN Q14642 Q14640 Q5JSF1 INPP5A PF03372 12-392 7 INPP_HUMAN P49441 INPP1 PF00459 56-381 8 PI5PA_HUMAN Q15735 Q32M61 Q6ZTH6 Q8N902 Q9UDT9 PIB5PA PF03372 425-728 9 SKIP_HUMAN Q9BT40 Q15733 Q9NPJ5 Q9P2R5 SKIP PF03372 16-318 10 SURE_ECOLI P0A840 P36664 Q2MA85 SURE PF01975 1-185 11 SURE_METJA Q57979 SURE PF01975 1-201 12 USHA_ECOLI P07024 P78274 Q2MBU7 USHA PF00149 34-256 PF02872 363-511 13 YFBR_ECOLI P76491 Q2MAM2 YFBR PF01966 30-142 14 YJJG_ECOLI P0A8Y1 P33999 P76818 Q2M5U4 YJJG PF00702 3-198 15 Q53Z63_HUMAN Q53Z63 NT5E PF00149 29-247 PF02872 338-513
Читайте также:  Почему номера страниц в ворде серого цвета

Стоит отметить особенности доменной организации найденных 5′-нуклеотидаз. Во-первых, большая часть ферментов состоит из одного домена Pfam. Лишь в трех находках присутствует второй домен. И примечательно то, что во всех случаях это С-концевой домен 5′-нуклеотидазы. Что касается первого домена, то здесь надо отметить разнообразие находок. Интересен тот факт, что многие домены встречаются только у одного какого-то организма. Например, лишь у человека найдены домены с идентификаторами PF06189, PF05761, PF03372, PF00459.
Интересно сравнить домены одного белка в разных организмах. Например, SURE_ECOLI и SURE_METJA. В оба белка входит по одному домену PF01975.
Оценим сходство последовательностей аминокислот в гомологичных доменах из эволюционно далеких организмов: кишечной палочки и человека, а также кишечной палочки и археи. Нужно получить из БД последовательности этих белков и вырезать из них участки, соответствующие исследуемым гомологичным доменам. Я выполняла эту задачу через Putty, написав следующий скрипт:

AC Q53Z63 не распознавался, поэтому эту последовательность пришлось отдельно получать через SRS. А потом вручную вырезать участки, соответствующие доменам.
Нужно сравнить последовательности, соответсвующие гомологичным доменам. Для начала я составила список сравниваемых доменов:

Домен PF00149
Сравниваем попарно домены из следующих последовательностей:
5NTD_HUMAN (5NTD_HUMAN_1.fasta)- USHA_ECOLI (USHA_ECOLI_1.fasta)
Q53Z63_HUMAN (Q53Z63_HUMAN_1.fasta) — USHA_ECOLI (USHA_ECOLI_1.fasta)
Домен PF02872
5NTD_HUMAN (5NTD_HUMAN_2.fasta) — USHA_ECOLI (USHA_ECOLI_2.fasta)
Q53Z63_HUMAN (Q53Z63_HUMAN_2.fasta) — USHA_ECOLI (USHA_ECOLI_2.fasta)
Домен PF01975
SURE_METJA (SURE_METJA.fasta)- SURE_ECOLI (SURE_ECOLI.fasta)

Затем написала скрипт, позволяющий с помощью программы needle сделать попарное выравнивнивание гомологичных доменов из эволюционно далеких организмов. Текст скрипта приведен ниже:

Результаты выравниваний в таблице ниже (чтобы увидеть само выравнивание, надо нажать на процент сходства):

Сравниваемые пары 5NTD_HUMAN_1 — USHA_ECOLI_1 Q53Z63_HUMAN_1 — USHA_ECOLI_1 5NTD_HUMAN_2 — USHA_ECOLI_2 Q53Z63_HUMAN_2 — USHA_ECOLI_2 SURE_METJA — SURE_ECOLI
Идентификатор домена Pfam
PF00149 30.0% 30.0%
PF02872 27.0% 19.4%
PF01975 34.0%

Для доменов PF00149 и PF01975 получены очень хорошие значения identity при выравнивании. Ведь 30% и 34% — это достаточно большие числа, когда речь идет о последовательностях доменов эволюционно далеких организмов.
Мотив металлофосфоэстеразы (домен с идентификатором PF00149) часто встречается в белках, связанных с фосфорилированием, таких как сериновые/треониновые фосфатазы, ДНК-полимеразы, экзонуклеазы и другие. Фосфорилирование белков, в свою очередь, играет большую роль в регуляции клеточных функций, вызывая активацию или ингибирование ферментов, участвующих во множестве различных метаболических путей. Это характерно и для архей, и для прокариотов, и для эукариотов. Следовательно, и сходство доменов достаточно большое.
Домен PF02872 является С-концевым доменом 5′-нуклеотидазы. Этот фермент отвечает за отщепление фосфата на 5′-конце. 5′-нуклеотидаза обнаружена во многих организмах, что неудивительно, учитывая ее важное биологическое значение. То есть высокий процент сходства (27%) и в данном случае вполне объясним. А вот всего 19,4% сходства последовательностей во втором случае — это очень мало, возможно, объясняется, различиями ДНК эукариотов и прокариотов (в данном случае сравнивались домены из белков человека и кишечной палочки).
"Белок выживания" SurE (домен PF01975) имеет достаточно большое значение процента сходства, что вполне согласуется с его названием и объяснимо его предполагаемой важной ролью в развитии ответа клетки на внешние раздражители (на стресс). © Лозиер Екатерина

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector