1. Классификация ферментов. Оксидоредуктазы. Механизм ХТ

1. Классификация ферментов. 1. Оксидоредуктазы.

Российский химико-технологический университет имени Д.И.Менделеева
Лектор: Белодед Андрей Васильевич, к.б.н., доцент кафедры биотехнологии
2024

2. План разбора темы Классификация ферментов (Д.З.)

1.
2.
3.
4.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ.
Названия: систематические, рациональные (функциональные), тривиальные.
Выделение подклассов (сколько, на основании чего, примеры).
Примеры ферментов данного класса (играющие значимую роль в биохимии или
практической деятельности , или хорошо изученные (модельные)). Чем больше –
тем лучше, набираются главным образом из темы метаболизм. Писать в
соответствующий раздел тетрадки.
- Реакция!!!
- Роль в клетке/организме, значение, место в метаболизме
- Локализация, формы, у кого встречается, заболевания,
связанные с
дефицитом, практическое применение и т.д.
- Особенности строения, кофакторы, регуляция (для ключевых
ферментов).
5. Механизм катализа для “избранного” фермента.
6. Итог: где встречаются, роль в метаболизме, практическое значение (если
используются в биотехнологии), основные кофакторы и т.д.
Последние изменения смотреть в https://enzyme.expasy.org/
Release of 24-Jul-24 (6843 active entries)

3. Оксидоредуктазы

Определение класса.
Какие ферменты причисляют к классу. Часто не
подходят формально, а смотрят механизм, участие
кофакторов, тип реакции
Названия
L-лактат:никотинамидадениндинуклеотидоксидоредуктаза
донор+дегидрогеназа
акцептор+редуктаза
субстрат+оксидаза
субстрат+тип реакции (гидроксилирование-гидроксилазы и т.д.)
и т.д.
ТРИВИАЛЬНЫЕ (каталаза)

4. Оксидоредуктазы

Практически в любом метаболическом пути, при
биосинтезе к-л. веществ или расщеплении есть ОВР,
поэтому это самый многочисленный класс.
26 подклассов

5. Оксидоредуктазы

Рациональнее для запоминания выделять основные группы:
дегидрогеназы, редуктазы (редко выделяют
отдельно), оксигеназы (ди-, моно-), оксидазы,
пероксидазы и др.

6. Дегидрогеназы

Некоторые примеры: гликолиз, брожения (спиртовое,
молочнокислое и др.), ЦТК, метаболизм АК и т.д. –
везде встречаются дегидрогеназы
Кофакторы (коферменты): NAD(P), FAD, убихинон,
аскорбиновая кислота, липоевая кислота и т.д.

7. Дегидрогеназы

L-лактат:никотинамидадениндинуклеотидоксидоредуктаза (ЛДГ)
АДГ
Ферменты ЦТК:
изоцитратдегидрогеназа

8. Дегидрогеназы

Ферменты ЦТК:
сукцинатдегидрогеназа

9. Дегидрогеназы

Ферменты ЦТК:
малатдегидрогеназа
Но есть и такой фермент (не ЦТК):
малатдегидрогеназа
НАДФ-зависимая
декарбоксилирующая
малатдегидрогеназа или НАДФмалик-энзим (НАДФ-МЭ)

10. Дегидрогеназы

Ферменты гликолиза:
глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа
∆G о′=6,3 кДж/моль

11. Дегидрогеназы

Метаболизм АК:
глутаматдегидрогеназа

12. Дегидрогеназы

Метаболизм АК:
гомосериндегидрогеназа

13. Дегидрогеназы

Метаболизм АК:
гомосериндегидрогеназа

14. Дегидрогеназы

ПФЦ:
глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа
6-фосфоглюконатдегидрогеназа
А еще UDP-глюкозо-6дегидрогеназа
H2O + 2 NAD(+) + UDP-alpha-Dglucose = 3 H(+) + 2 NADH + UDPalpha-D-glucuronate

15. Дегидрогеназы

Метаболизм нуклеотидов:
рибонуклеотидредуктаза (1.17.4.1). Она же:
2'-дезоксирибонуклеозиддифосфат: окисленная тиоредоксин 2'-оксидоредуктаза, АДФ-редуктаза,
CDP-редуктаза, рибонуклеотидредуктаза класса I, рибонуклеотидредуктаза класса I, RNR
класса I, RR класса I, рибонуклеотид Ia класса, редуктаза класса I RR, рибонуклеотидредуктаза
класса Ib, RNR класса Ib, рибонуклеотидредуктаза класса Ic, RNR класса II, марганецрибонуклеотидредуктаза, Mn-RNR, More, mRR, NrdA, NrdB, NrdE, NrdF, нуклеозидиндефосфат-редуктаза, фосфонуклеозид-редуктаза , R53F, редуктаза, рибонуклеозиддифосфат,
рибонуклеозид-2'-дифосфатредуктаза, рибонуклеозиддифосфатредуктаза, субъединица M5 B
рибонуклеозид-дифосфатредуктазы,
рибонуклеотиддифосфатредуктаза,
рибонуклеотиддифосфатредуктаза,
R2BR1-рибонуклеотид-дифосфат-редуктаза,
R2N-R1Nрибонуклеотид-R1-R2-редуктаза, RXNUMXN-RXNUMX-RXNUMX-рибонуклеотид-редуктаза ,
UDP редуктаза.

16. Оксигеназы

Окислителем (акцептором е) служит молекулярный кислород, при
этом один или два атома включаются в молекулу субстрата, то
есть обнаруживаются в продукте: монооксигеназы, диоксигеназы.
Кофакторы: NAD(P)H, тетрагидробиоптерин, аскорбиновая кислота, ионы
металлов, цитохромы, гемы и т.д.
dopamine beta-monooxygenase
(3,4-dihydroxyphenethylamine)beta-monooxygenase
dopamine beta-hydroxylase
DBH белок 290 kDa,
содержит ионы Cu2+, сост.
из 4 одинаковых субъед.

17. Оксигеназы

Фенилаланингидроксилаза – синтез тирозина и
катаболизм избытка фенилаланина.
Цистеиндиоксигеназа
3-sulfinoalanine

18. Оксигеназы

Некоторые монооксигеназы (гидроксилазы) также называют оксидазами смешанной
функции: они окисляют одновременно два субстрата и в один из субстратов
оказывается интегрирован атом кислорода. Такие ферменты встречаются как в
некоторых метаболических путях, так и в биохимических системах обезвреживания
ксенобиотиков.
Цитохром Р450-зависимая
монооксигеназа (цитохром P450,
cytochrome P450, CYP) – семейство
ферментов, родственных цитохромам
b с гемом в качестве кофактора. У
бактерий и архей это свободные белки
цитоплазмы, у эукариот связаны с
мембраной ЭПР, часть с мембраной
митохондрий. Система цитохромов
P450 участвует в окислении
многочисленных соединений, как
эндогенных (стероиды, витамины
группы D, жирные кислоты,
эйкозаноиды и т.д.), так и экзогенных.

19. Оксигеназы

Humans have 57 genes and more than 59 pseudogenes divided among 18 families of cytochrome P450 genes and 43
subfamilies. Множество изоформ ферментов (150).
P450s metabolize thousands of endogenous and exogenous chemicals. Some P450s metabolize only one (or a very
few) substrates, such as CYP19 (aromatase), while others may metabolize multiple substrates. Стиль работы
ансамбля ферментов чем-то напоминает процессы в ЭТЦ МХ: Цитохром Р450 редуктаза катализирует перенос
электронов с NADPH (донор 2 е) на микросомальные Р450 монооксигеназы (одноэлектронное
восстановление железа, связанного с гемом цитохрома, через флавиновый кофактор FAD and FMN, Fe 3 – 2).
Кислород связывается с железом по типу пероксида, принимает второй е от Цитохром Р450 редуктазы,
протонируется и высвобождает один атом О в виде воды. Степень окисления железа – 4! Далее этот комплекс
окисляет субстрат R-H, кислород встраивается, железо переходит в степень окисления 3 и координируется
+
+
молекулой воды.
RH + O2 + NADPH + H → ROH + H2O + NADP
Микросомальная фракция гепатоцитов – ЭПР с
ферментами. Окисляют гидрофобные
вещества. Широкая с.с.
Важны для исследований, терапии
(фармакология и медицина ).
Окисленное соединение становится более
реакционноспособным, подвергается реакциям
конъюгации с участием ферментов класса
трансфераз и выводится в виде конъюгатов с
глюкуроновой кислотой, GSH и т.д.

20. Оксигеназы

NO-синтаза (EC 1.14.13.39) - группа ферментов, катализирующих
образование оксида азота и цитруллина из аргинина, при
участии кислорода и NADPH.
L-Arg + 3/2NADPH + 3/2H+ + 2O2 → L-цитруллин + 3/2NADP+ + NO +
2H2O
The enzymes exist as homodimers. In eukaryotes, each monomer consisting of two major regions: an N-terminal
oxygenase domain, which belongs to the class of heme-thiolate proteins, and a multi-domain C-terminal reductase,
which is homologous to NADPH:cytochrome P450 reductase (EC 1.6.2.4) and other flavoproteins.
NOSs are unique in that they use five cofactors and are the only known enzyme that binds flavin adenine
dinucleotide (FAD), flavin mononucleotide (FMN), heme, tetrahydrobiopterin (BH4) and calmodulin. The electron
flow is: NADPH → FAD → FMN → heme → O2.

21. Оксидазы

Ферменты, катализирующие реакции с участием О2 в качестве окислителя
(акцептора е), при этом молекула кислорода не встраивается в субстрат, а
восстанавливается до Н2О, Н2О2 и др.
Кофакторов много, но чаще всего встречаются производные рибофлавина FAD,
FMN, а также ионы переходных металлов разной с.о.
В процессе реакции ФАД принимает два электрона и восстанавливается до ФАДH2.
Затем оба электрона с ФАДH2 переходят на молекулярный кислород с образованием
ФАД и пероксида водорода.

22. Оксидазы

23. Оксидазы

Оксидазы D-аминокислот (DAAO, OXDA, DAMOX)
Есть у микроорганизмов (дрожжи).
Есть у человека (обезвреживание D-АК, мозг). Inhibition of DAO leads to the increase of
D-serine levels which act as agonists at the NMDAR. There is evidence to show that
schizophrenia, as a neural phenomenon, is associated with both hyper- and
hypoglutamatergic function, mediated by NMDA receptors.

24. Оксидазы

DAO, диаминоксидазы:
Субстраты: путресцин, гистамин, триптамин, N-метилгистамин и др.
MAO, моноаминоксидазы:
Субстратами для МАО-А являются адреналин, норадреналин,
серотонин, гистамин, а также многие фенилэтиламиновые и
МАО метаболизирует как
триптаминовые ПАВ. Субстратами МАО-Б являются
эндогенные моноамины — фенилэтиламин и дофамин. They are involved in a number of
нейромедиаторы и гормоны, psychiatric and neurological diseases, some of which can be
treated with monoamine oxidase inhibitors (MAOIs) which block
так и экзогенные —
the action of MAOs.
попадающие в организм с
Оба типа моноаминоксидаз находятся во внешней мембране
пищей или в лекарствах и
митохондрий многих клеток организма. МАО-А локализована
психоактивных веществах.
главным образом в клетках печени, желудочно-кишечном
тракте и плаценте. МАО-Б присутствует в тромбоцитах. Оба
типа в большом количестве могут быть найдены в нервной
ткани: в нейронах и астроглии.

25. Оксидазы

Алкогольоксидаза (метанолоксидаза), альдегидоксидаза (у последнего
фермента помимо FAD в кофакторах 2Fe-2S, Mo, он локализован в печени и
может взаимодействовать (окислять) с интермедиантами CYP450 и МАО).
aldehyde + H2O + O2 ⇌ carboxylate + H2O2 + H+
Aldehyde oxidase is very concentrated in the liver, where it oxidizes multiple aldehydes and
nitrogenous heterocyclic compounds, such as anti-cancer and immunosuppressive drugs.

26. Оксидазы

NAD(P)H-оксидаза
NADPH-оксидаза макрофагов
НАДH
+
O2
+
H+
→
НАД+
+
Н2O2
NADH oxidases (NOXs) catalysing the oxidation of NADH to yield NAD+ and H2O, H2O2,
or both play an important role in protecting organisms from oxidative stress and
maintaining the balance of NAD+/NADH.

27. Оксидазы

NAD(P)H-оксидаза
NADPH-оксидаза макрофагов
Реакция, катализируемая НАДФH-оксидазой, заключается в окислении НАДФ•H до
НАДФ+ внутри клетки с переносом электронов на другую сторону клеточной
мембраны и образованию на наружной стороне клетки супероксидного радикала из
кислорода среды.
НАДФ•H (внутриклеточный) + 2 O2 (внеклеточный) → НАДФ+ (внутриклеточный) +
H+ (внутриклеточный) + 2 O2•- (внеклеточный)

28. Оксидазы

Цитохром-с-оксидаза (ferrocytochrome-c:oxygen
oxidoreductase, комплекс IV). Внимание: ранее EC 1.9.3.1, сейчас
переместили к транслоказам EC 7.1.1.9!!!
An oligomeric membrane heme-Cu:O2 reductase-type enzyme
that terminates the respiratory chains of aerobic and facultative
aerobic organisms. The reduction of O2 to water is accompanied
by the extrusion of four protons. The cytochrome-aa3 enzymes of
mitochondria and many bacterial species are the most abundant
group, but other variations, such as the bacterial cytochrome-cbb3
enzymes, also exist. All of the variants have a conserved catalytic
core subunit (subunit I) that contains a low-spin heme (of a- or btype), a binuclear metal centre composed of a high-spin heme
iron (of a-, o-, or b-type heme, referred to as a3, o3 or b3 heme),
and a Cu atom (CuB). Besides subunit I, the enzyme usually has
at least two other core subunits: subunit II is the primary electron
acceptor; subunit III usually does not contain any cofactors, but
in the case of cbb3-type enzymes it is a diheme c-type
cytochrome. While most bacterial enzymes consist of only 3–4
subunits, the mitochondrial enzyme is much more complex and
contains 14 subunits.
Клеточное дыхание.
Митохондрии, ЭТЦ.
Генерируются АФК.
Защита от АФК!
Супероксиддисмутаза (СОД,
SOD).
Существует несколько форм
супероксиддисмутазы в зависимости от типа
2H+ + 2O−2 → O2 + H2O2 переходного металла-кофактора активного
центра фермента: Cu,Zn-СОД – цитозоль эу-,
(n+1)+
−
n+
M
−СОД + O2 → M −СОД + O2
Mn-СОД, а также менее распространённые
n+
−
+
(n+1)+
M −СОД + O2 + 2H → M
−СОД + H2O2 (характерные для бактерий) Fe-СОД и Ni-СОД.

29. Пероксидазы

Каталаза
H2O2 + Fe(III)-E → H2O + O=Fe(IV)-E(.+)
H2O2 + O=Fe(IV)-E(.+) → H2O + Fe(III)-E + O2
Catalase is found primarily in peroxisomes and the cytosol of erythrocytes (and sometimes in
mitochondria). Almost all aerobic microorganisms use catalase. It is also present in some anaerobic
microorganisms.
Catalase is a tetramer of four polypeptide chains, each over 500 amino acids long. It
contains four iron-containing heme groups. A manganese protein containing Mn(III) in the
resting state, which also belongs here, is often called pseudocatalase.
Catalase can also catalyze the oxidation, by hydrogen peroxide, of various metabolites and
toxins, including formaldehyde, formic acid, phenols, acetaldehyde and alcohols. It does so
according to the following reaction:
H2O2 + H2R → 2H2O + R

30. Пероксидазы

Глутатионпероксидаза катализирует восстановление
гидроперекисей липидов в соответствующие спирты и
восстановление пероксида водорода до воды. Еще одна система
борьбы с АФК.
2GSH + H2O2 → GS-SG + 2H2O
Окисленный глутатион восстанавливается глутатионредуктазой:
GSSG + НАДФН + Н+ → 2GSH + НАДФ
В активном центре глутатионпероксидазы находится остаток аминокислоты
селеноцистеина.

31. Механизмы катализа на примере сериновых протеиназ

Синтез и
посттрансляцион
ное превращение
(созревание)
химотрипсина:
Механизм
действия всех
сериновых
протеаз очень
похож. Ключевую
роль играют
остатки his-57,
asp-102, and ser195.

32. Механизмы катализа на примере сериновых протеиназ

По месту действия на молекулу субстрата протеолитические ферменты подразделяют
на эндопептидазы и экзопептидазы. Экзопептидазы отщепляют остатки от концов
пептидной цепи с высвобождением одной аминокислоты, ди- или трипептида. Cреди
экзопептидаз выделяют аминопептидазы (EC 3.4.11), катализирующие отщепление Nконцевых аминокислот, и карбоксипептидазы (EC 3.4.16), катализирующие
отщепление С-концевых аминокислот, а также дипептидазы (EC 3.4.13), проявляющие
специфичность к дипептидным субстратам, дипептидилпептидазы, три- и т.д. Как
правило, это ферменты, специфичные к той или иной последовательности АК.
Эндопептидазы гидролизуют внутренние пептидные связи вдали от N- и C-конца
цепи.
Также протеолитические ферменты подразделяют на семь “классов”: сериновые,
цистеиновые, аспартатные, глутаминовые, треониновые протеазы и
металлопротеазы. Седьмым классом иногда считают аспарагиновые пептидные
лиазы, катализирующие расщепление пептидной связи через реакцию
элиминирования.

33. Механизмы катализа на примере сериновых протеиназ

Связывание S –
образование ESкомплекса
Строение фермента, АЦ

34. Механизмы катализа на примере сериновых протеиназ

Образование
тетраэдрического ПС1

35. Механизмы катализа на примере сериновых протеиназ

Образование
тетраэдрического ПС1
Образование ацил-Е
и высвобождение Р1

36. Механизмы катализа на примере сериновых протеиназ

37. Механизмы катализа на примере сериновых протеиназ

Присоединен
ие воды и
образование
тетраэдрического ПС2

38. Механизмы катализа на примере сериновых протеиназ

Разрушение
тетраэдрического ПС2 и
высвобожден
ие Р2

39. Механизмы катализа на примере сериновых протеиназ

Разрушение
тетраэдрического ПС2 и
высвобожден
ие Р2

40. Механизмы катализа на примере сериновых протеиназ

Активность сериновых протеаз
необратимо ингибируется под действием
таких соединений, как
фенилметилсульфонил фторид (PMSF),
диизопропилфторфосфат (DPF), 4-(2аминоэтил)бензолсульфонил фторид
(AEBSF), 3,4-дихлоризокумарин (DCI),
тозил-лизин-хлорметил-кетон (TLCK)
путем их ковалентного связывания с
остатком Ser активного центра фермента, а
также обратимо ингибируются такими
соединениями пептидной природы как
апротинин, лейпептин и антипаин по
конкурентному механизму.