Классификация ферментов: разбор функций и видов

Ферменты — это белки, которые ускоряют химические реакции в живых организмах. Существует огромное разнообразие ферментов, каждый из которых катализирует свою уникальную реакцию. Для стандартизации наименований ферментов была разработана система их классификации и кодирования.

Классификация ферментов основана на типе реакции, которую катализирует фермент. Каждому ферменту присваивается уникальный код — шифр КФ. Шифр позволяет однозначно идентифицировать фермент в научной литературе и базах данных.

Структура шифра КФ

Шифр КФ — классификация ферментов, представляет собой уникальный код, присваиваемый каждому ферменту в соответствии с принятой международной системой классификации. Классификация основана на том, какую реакцию катализирует фермент, а не на его структуре. Каждый шифр состоит из букв «КФ» и последовательности четырех чисел, разделенных точками.

Первое число обозначает класс фермента, т.е. тип реакции. Второе число — подкласс, уточняющий механизм реакции. Третье число обозначает под-подкласс — конкретный субстрат или группу субстратов. Четвертое число — порядковый номер конкретного фермента в под-подклассе. Такая структура позволяет постепенно детализировать функцию фермента от общего типа реакции до конкретного субстрата.

Например, КФ 1.1.1.1 — это alcohol dehydrogenase (алкогольдегидрогеназа). Здесь 1 обозначает класс оксидоредуктаз, 1.1 — подкласс спиртов как доноров/акцепторов, 1.1.1 — спирты как доноры, а 1.1.1.1 — конкретный фермент, катализирующий окисление этанола в ацетальдегид.

Классы ферментов в классификации

В классификации ферменты делятся на 6 основных классов в зависимости от типа реакции, которую они катализируют:

1. Оксидоредуктазы — катализируют реакции окисления-восстановления, перенос атомов водорода или кислорода.
2. Трансферазы — катализируют перенос функциональных групп между молекулами.
3. Гидролазы — катализируют реакции гидролиза, т.е. разрыва химических связей с участием молекулы воды.
4. Лиазы — катализируют реакции негидролитического разрыва связей с образованием двойных связей.
5. Изомеразы — катализируют изомеризацию, т.е. перестройку молекул субстрата.
6. Лигазы (синтетазы) — катализируют синтез молекул путем образования химических связей за счет энергии АТФ.

Первое число в шифре КФ указывает, к какому классу относится фермент. Это позволяет сразу определить общий тип реакции, которую катализирует данный фермент в соответствии с классификацией.

Подклассы и виды реакций

Каждый класс ферментов делится на подклассы, которые уточняют механизм реакции. Например, класс оксидоредуктаз включает следующие подклассы:

• Оксидоредуктазы, действующие на CH-OH группы (спирты, альдегиды, кетоны)
• Оксидоредуктазы, действующие на пару алкен-алкан
• Оксидоредуктазы, действующие на S-S связи
• Оксидоредуктазы, действующие на NADH или NADPH
• Оксидоредуктазы, действующие на CH-CH группы

Подкласс указывает, на какой тип субстратов или связей действует фермент. Для гидролаз подклассы определяют тип разрываемой связи:

• Гидролазы эфирных связей
• Гидролазы гликозидных связей
• Гидролазы пептидных связей
• Гидролазы α-амидных связей

Подклассы позволяют детализировать механизм реакции после определения ее общего типа по классу фермента. Первые два числа в шифре КФ дают уже довольно подробное описание катализируемого превращения.

Примеры шифров конкретных ферментов

Рассмотрим несколько примеров шифров КФ для конкретных ферментов:

• 1.1.1.1 — Алкогольдегидрогеназа — окисляет этанол до ацетальдегида, относится к классу оксидоредуктаз, подкласс спиртов.
• 2.7.1.1 — Гексокиназа — фосфорилирует глюкозу, относится к трансферазам, подкласс фосфорилирующих гексозы.
• 3.4.21.1 — Тромбин — гидролизует фибриноген, принадлежит гидролазам сериновых протеиназ.
• 4.2.1.1 — Фумараза — катализирует гидратацию фумаровой кислоты, относится к классу лиаз.

Как видно из примеров, первые три числа шифра уже дают довольно четкое представление о механизме действия фермента. Четвертое число — просто порядковый номер в группе ферментов с похожим механизмом действия.

История создания классификации

Классификация ферментов была разработана Международным союзом биохимии и молекулярной биологии (IUBMB) в 1950-60х годах. В 1955 году на конгрессе IUBMB в Брюсселе была создана специальная Комиссия по ферментам (Enzyme Commission) для разработки системы классификации.

Первая версия номенклатуры ферментов была опубликована в 1961 году и включала около 900 ферментов. В 1964 году вышло первое издание «Списка ферментов» (Enzyme List), который периодически обновлялся.

К 1978 году список насчитывал уже более 2000 ферментов. Следующие крупные ревизии классификации были проведены в 1984 и 1992 годах. Версия 1992 года включала уже более 3000 ферментов.

Последняя крупная ревизия была проведена в 2013 году. Современная версия классификации насчитывает более 5000 зарегистрированных ферментов и регулярно пополняется.

Роль комиссии по ферментам

Комиссия по ферментам является экспертной группой при Международном союзе биохимии и молекулярной биологии (IUBMB). Она отвечает за поддержание и развитие классификации ферментов.

Основные функции Комиссии по ферментам:

• Рассмотрение и утверждение новых записей в классификацию на основе научных публикаций;
• Пересмотр и обновление классификации с учетом накопленных знаний;
• Поддержание базы данных классифицированных ферментов в актуальном состоянии;
• Консультирование научного сообщества по вопросам номенклатуры и классификации ферментов.

Благодаря работе Комиссии классификация ферментов регулярно обновляется и развивается, оставаясь актуальным инструментом систематизации знаний о каталитических свойствах белков.

Связь структуры и функции ферментов

Классификация ферментов основана на их каталитических функциях, а не на структурных особенностях. Однако существует определенная связь между структурой и функцией белков-ферментов.

Ферменты одного класса и подкласса часто имеют схожие структурные мотивы и каталитические центры, отвечающие за общий механизм реакции. Например, многие гидролазы содержат каталитическую триаду серин-гистидин-аспартат.

Вместе с тем, ферменты с идентичным механизмом действия могут сильно различаться по первичной, вторичной и третичной структуре. Это связано с процессами конвергентной эволюции.

Классификация ферментов позволяет выявлять функциональные аналоги среди структурно разных белков. А знание структуры конкретного фермента может дать представление о механизме его действия.

Одинаковые шифры у разных ферментов

Классификация ферментов основана на их реакционной и субстратной специфичности, а не на белковой структуре. Поэтому аналогичные ферменты из разных организмов могут иметь один и тот же шифр КФ, несмотря на структурные различия.

• Например, классификация ферментов панкреатической и печеночной липаз относит их к одному шифру КФ 3.1.1.3, так как они катализируют одну и ту же реакцию гидролиза триглицеридов, хотя относятся к разным ферментным системам организма.
• Иногда один шифр КФ может объединять несколько похожих ферментов в одном организме. Такие ферменты могут различаться субстратной специфичностью или другими свойствами.

Механизм действия ферментов при классификации не учитывается, главное — реакция, которую они катализируют. Это важно для унификации обозначений ферментов в науке.

Значение классификации ферментов для науки

Классификация ферментов имеет большое значение для развития биохимии, молекулярной биологии и смежных наук. Присвоение унифицированных шифров КФ позволяет упорядочить огромное количество ферментов, выявленных в живых организмах.

Стандартизованная система обозначений облегчает обмен научной информацией между исследовательскими группами. Шифр КФ однозначно определяет фермент, катализируемую им реакцию и функцию в метаболизме.

Классификация позволяет выявлять эволюционные взаимосвязи между ферментами на основе сходства катализируемых реакций. Можно проследить происхождение отдельных ферментов и метаболических путей.

Наконец, базы данных шифров КФ активно используются в биоинформатических исследованиях для интеграции разнородных данных о структуре, функциях и эволюции ферментов. Так ключевая роль классификации ферментов будет только возрастать.

Количество классифицированных ферментов

По состоянию на 2024 год в базе данных Комиссии по ферментам классифицировано более 9000 ферментов. Это количество постоянно растет по мере открытия и изучения новых ферментов в живых организмах.

Первоначально, в 1961 году классификация ферментов охватывала около 900 ферментов. К 1978 году их число увеличилось до 2000, а к 1995 году достигло 3500.

Стремительный рост количества зарегистрированных ферментов объясняется прогрессом в методах выделения и идентификации белков. Особенно активно пополняются данные за счет метагеномного анализа микробных сообществ.

При этом доля ферментов с установленной трехмерной структурой пока невелика – около 13%. Для подавляющего большинства ферментов известна только катализируемая реакция, по которой и дается классификация.

Несмотря на впечатляющие масштабы, процесс выявления и каталогизации ферментов живой природы еще далек от завершения.

Обновление классификации ферментов

Классификация ферментов регулярно пересматривается и обновляется Комиссией по ферментам. Это необходимо в связи с бурным ростом данных о новых ферментах и уточнением свойств уже известных.

Первое крупное обновление классификации ферментов было произведено в 1978 году. Затем новые редакции выпускались примерно раз в 10 лет – в 1984, 1992 и 1999 годах. Сейчас новые версии публикуются ежегодно.

При пересмотре часть ферментов может быть переклассифицирована, некоторые шифры КФ могут быть разукрупнены или, наоборот, объединены. Как правило, один раз присвоенный шифр КФ сохраняется за ферментом, но при необходимости он может быть изменен.

Кроме того, раз в несколько лет выходят дополнительные издания с рекомендованными тривиальными названиями ферментов. Такие справочники также периодически обновляются.

Использование классификации ферментов в биоинформатике

Шифры КФ и связанные с ними базы данных о ферментах активно используются в биоинформатических исследованиях. Они позволяют интегрировать разнородные сведения о структуре, функциях, эволюции ферментов.

Идентификация ферментов при аннотации геномов и протеомов часто опирается на сравнение аминокислотных последовательностей с известными последовательностями ферментов в базах данных КФ.

Классификация ферментов используется для картирования метаболических путей в клетках и их математического моделирования. Зная шифры КФ, можно определить протекающие реакции.

С помощью шифров КФ исследуют эволюцию отдельных ферментов, метаболических путей и всего метаболизма у разных групп организмов.

Стандартизованная классификация ферментов играет ключевую роль в организации и анализе огромных массивов данных о живых системах.

Сравнение классификации ферментов с другими системами

Существуют и другие способы классификации ферментов, отличные от принятой в КФ номенклатуры на основе катализируемых реакций.

В частности, разработана обширная классификация ферментов на основе их трехмерной структуры и гомологии белковых последовательностей. Такие базы данных, как CATH и SCOP, объединяют похожие ферменты в суперсемейства и кланы.

Однако такой подход не отражает специфичность катализируемых реакций и не всегда коррелирует с функциями ферментов. Нередки случаи, когда высокогомологичные белки катализируют совсем разные реакции.

КФ-классификация как раз основана на учете реакционной специфичности, что важно для понимания роли каждого фермента в метаболических процессах.

Подход КФ является наиболее релевантным и широко используемым в биохимических исследованиях, несмотря на существование альтернативных классификаций ферментов по структурным признакам.

Перспективы развития классификации ферментов

Несмотря на многолетнюю историю, система КФ далека от совершенства и продолжает совершенствоваться. Главная проблема — это разрастание номенклатуры при выявлении все новых ферментов.

Возможно, в будущем потребуется переход к иерархической «классификации ферментов» с более гибкой структурой. Уже сейчас некоторые большие подклассы разбиты на подгруппы с дополнительными цифрами-индексами.

Еще одна задача — интеграция КФ с другими базами данных, особенно структурными, для получения более целостной картины функционирования ферментов.

Также актуально расширение аннотации: добавление сведений об ингибиторах, активаторах, вовлечении в сигнальные пути. Это позволит использовать классификацию для задач системной биологии.

Важный инструмент

Классификация ферментов является важным инструментом в изучении биохимических реакций. Шифр КФ позволяет быстро определить тип реакции, катализируемой ферментом, независимо от его происхождения. Хотя ферменты из разных источников могут иметь разную структуру, шифр КФ указывает на их функциональное сходство.

За десятилетия использования классификации ферментов в нее были включены тысячи различных ферментов. По мере открытия и изучения новых ферментов, список постоянно пополняется. Классификация регулярно обновляется и совершенствуется Комиссией по ферментам. Это позволяет поддерживать систему в актуальном состоянии.

В биоинформатике шифры КФ широко используются для систематизации данных о реакциях и ферментах в базах данных. Классификация ферментов интегрирована в различные инструменты анализа метаболических путей. Она дает возможность связывать информацию из разных источников по общим принципам.

В целом, система классификации ферментов зарекомендовала себя, как удобный и универсальный способ описания ферментативных реакций. По мере накопления знаний о ферментах, классификация будет расширяться и совершенствоваться.

Главным ее преимуществом является возможность связывать функциональные характеристики ферментов вне зависимости от их происхождения и структуры. Классификация ферментов дает общую основу для изучения биохимических процессов в живых организмах.